Analysis of the expression of toll-like receptors 2 and 4 and cytokine production during experimental Leishmania chagasi infection

Toll-like receptors (TLRs) recognise pathogen-derived molecules and influence immunity to control parasite infections. This study aimed to evaluate the mRNA expression of TLRs 2 and 4, the expression and production of the cytokines interleukin (IL)-12, interferon (IFN)-γ, tumor necrosis factor (TNF)-α, IL-17, IL-10 and transforming growth factor (TGF)-β and the production of nitric oxide (NO) in the spleen of mice infected with Leishmania chagasi. It also aimed to evaluate any correlations between mRNA expression TLR2 and 4 and cytokines and NO production. Infection resulted in increased TLR2-4, IL-17, TNF-α and TGF-β mRNA expression during early infection, with decreased expression during late infection correlating with parasite load. IFN-γ and IL-12 mRNA expression decreased at the peak of parasitism. IL-10 mRNA expression increased throughout the entire time period analysed. Although TGF-β, TNF-α and IL-17 were highly produced during the initial phase of infection, IFN-γ and IL-12 exhibited high production during the final phase of infection. IL-10 and NO showed increased production throughout the evaluated time period. In the acute phase of infection, there was a positive correlation between TLR2-4, TNF-α, IL-17, NO, IL-10 and TGF-β expression and parasite load. During the chronic phase of infection, there was a positive correlation between TLR2-4, TNF-α, IL-17 and TGF-β expression and parasite load. Our data suggest that infection by L. chagasi resulted in modulation of TLRs 2 and 4 and cytokines.

Analysis of GPCR properties of Frizzled receptors and establishment of the "in vitro" platform for screening of Frizzled agonists/antagonists as potential therapeutic agents

Morphogens of the Wnt protein family are the secreted lipoglycoprotein ligands which initiate several pathways heavily involved in the coordination of various developmental stages of organisms in the majority of animal species. Deregulation of these pathways in the adult leads to formation and sustaining of multiple types of cancer. The latter notion is reinforced by the fact that the very discovery of the first Wnt ligand was due to its role as the causative factor of carcinogenic transformation (Nusse and Varmus, 1982). Nowadays our knowledge on Wnt signaling has "moved with the times" and these pathways were identified to be often crucial for tumor formation, its interactions with the microenvironment, and promotion of the metastases (Huang and Du, 2008; Zerlin et al., 2008; Jessen, 2009). Thus the relevance of the pathway as the target for drug development has further increased in the light of modern paradigms of the complex cancer treatments which target also spreading and growth- promoting factors of tumors by specific and highly efficient substances (Pavet et al., 2010). Presently the field of the Wnt-targeting drug research is almost solely dominated by assays based on transcriptional activation induced by the signaling. This approach resulted in development of a number of promising substances (Lee et al., 2011). Despite its effectiveness, the method nevertheless suffers from several drawbacks. Among the major ones is the fact that this approach is prone to identify compounds targeting rather downstream effectors of the pathway, which are indiscriminately used by all the subtypes of the Wnt signaling. Additionally, proteins which are involved in several signaling cascades and not just the Wnt pathway turn out as targets of the new compounds. These issues increase risks of side effects due to off-target interactions and blockade of the pathway in healthy cells. In the present work we put forward a novel biochemical approach for drug development on the Wnt pathway. It targets Frizzleds (Fzs) - a family of 7-transmbembrane proteins which serve as receptors for Wnt ligands. They offer unique properties for the development of highly specific and effective drugs as they control all branches of the Wnt signaling. Recent advances in the understanding of the roles of heterotrimeric G proteins downstream from Fzs (Katanaev et al., 2005; Liu et al., 2005; Jernigan et al., 2010) suggest application of enzymatic properties of these effectors to monitor the receptor-mediated events. We have applied this knowledge in practice and established a specific and efficient method based on utilization of a novel high-throughput format of the GTP-binding assay to follow the activation of Fzs. This type of assay is a robust and well-established technology for the research and screenings on the GPCRs (Harrison and Traynor, 2003). The conventional method of detection involves the radioactively labeled non-hydrolysable GTP analog [35S]GTPyS. Its application in the large-scale screenings is however problematic which promoted development of the novel non-radioactive GTP analog GTP-Eu. The new molecule employs phenomenon of the time-resolved fluorescence to provide sensitivity comparable to the conventional radioactive substance. Initially GTP-Eu was tested only in one of many possible types of GTP-binding assays (Frang et al., 2003). In the present work we expand these limits by demonstrating the general comparability of the novel label with the radioactive method in various types of assays. We provide a biochemical characterization of GTP-Eu interactions with heterotrimeric and small GTPases and a comparative analysis of the behavior of the new label in the assays involving heterotrimeric G protein effectors. These developments in the GTP-binding assay were then applied to monitor G protein activation by the Fz receptors. The data obtained in mammalian cultured cell lines provides for the first time an unambiguous biochemical proof for direct coupling of Fzs with G proteins. The specificity of this interaction has been confirmed by the experiments with the antagonists of Fz and by the pertussis toxin-mediated deactivation. Additionally we have identified the specificity of Wnt3a towards several members of the Fz family and analyzed the properties of human Fz-1 which was found to be the receptor coupled to the Gi/o family of G proteins. Another process playing significant role in the functioning of every GPCR is endocytosis. This phenomenon can also be employed for drug screenings on GPCRs (Bickle, 2010). In the present work we have demonstrated that Drosophila Fz receptors are involved in an unusual for many GPCRs manifestation of the receptor-mediated internalization. Through combination of biochemical approaches and studies on Drosophila as the model organism we have shown that direct interactions of the Fzs and the α-subunit of the heterotrimeric G protein Go with the small GTPase Rab5 regulate internalization of the receptor in early endosomes. We provide data uncovering the decisive role of this self-promoted endocytosis in formation of a proper signaling output in the canonical as well as planar cell polarity (PCP) pathways regulated by Fz. The results of this work thus establish a platform for the high-throughput screening to identify substances active in the cancer-related Wnt pathways. This methodology has been adjusted and applied to provide the important insights in Fz functioning and will be instrumental for further investigations on the Wnt-mediated pathways.

Schistosoma mansoni antigens alter the cytokine response in vitro during cutaneous leishmaniasis

Schistosoma mansoni infection or associated products are able to down-modulate the type 1 CD4+ T cell inflammatory response characteristic of autoimmune diseases. In this study, we evaluated how S. mansoni antigens altered the immune response that was induced by the soluble Leishmania antigen (SLA) from cutaneous leishmaniasis (CL) patients. Cytokines were measured from the supernatants of peripheral blood mononuclear cell cultures stimulated with SLA. This was performed using the sandwich enzyme linked immunosorbent assay technique in the presence or absence of S. mansoni recombinant antigens Sm29, SmTSP-2 and PIII. The addition of S. mansoni antigens to the cultures resulted in the reduction of interferon gamma (IFN-γ) levels in 37-50% of patients. Although to a lesser extent, the antigens were also able to decrease the production of tumour necrosis factor-alpha (TNF-α). We compared patients that either had or did not have reduction in IFN-γ and TNF-α production in cultures stimulated with SLA in the presence of S. mansoni antigens. We found that there was no significant difference in the levels of interleukin (IL)-10 and IL-5 in response to S. mansoni antigens between the groups. The antigens used in this study down-modulated the in vitro proinflammatory response induced by SLA in a group of CL patients through a currently undefined mechanism.

Biological, biochemical and molecular features of Trypanosoma cruzi strains isolated from patients infected through oral transmission during a 2005 outbreak in the state of Santa Catarina, Brazil: its correspondence with the new T. cruzi Taxonomy Consensus (2009)

We examined strains of Trypanosoma cruzi isolated from patients with acute Chagas disease that had been acquired by oral transmission in the state of Santa Catarina, Brazil (2005) and two isolates that had been obtained from a marsupial (Didelphis aurita) and a vector (Triatoma tibiamaculata). These strains were characterised through their biological behaviour and isoenzymic profiles and genotyped according to the new Taxonomy Consensus (2009) based on the discrete typing unities, that is, T. cruzi genotypes I-VI. All strains exhibited the biological behaviour of biodeme type II. In six isolates, late peaks of parasitaemia, beyond the 20th day, suggested a double infection with biodemes II + III. Isoenzymes revealed Z2 or mixed Z1 and Z2 profiles. Genotyping was performed using three polymorphic genes (cytochrome oxidase II, spliced leader intergenic region and 24Sα rRNA) and the restriction fragment length polymorphism of the kDNA minicircles. Based on these markers, all but four isolates were characterised as T. cruzi II genotypes. Four mixed populations were identified: SC90, SC93 and SC97 (T. cruzi I + T. cruzi II) and SC95 (T. cruzi I + T. cruzi VI). Comparison of the results obtained by different methods was essential for the correct identification of the mixed populations and major lineages involved indicating that characterisation by different methods can provide new insights into the relationship between phenotypic and genotypic aspects of parasite behaviour.

Molecular markers and genetic diversity of Plasmodium vivax

Enhanced understanding of the transmission dynamics and population genetics for Plasmodium vivax is crucial in predicting the emergence and spread of novel parasite phenotypes with major public health implications, such as new relapsing patterns, drug resistance and increased virulence. Suitable molecular markers are required for these population genetic studies. Here, we focus on two groups of molecular markers that are commonly used to analyse natural populations of P. vivax. We use markers under selective pressure, for instance, antigen-coding polymorphic genes, and markers that are not under strong natural selection, such as most minisatellite and microsatellite loci. First, we review data obtained using genes encoding for P. vivax antigens: circumsporozoite protein, merozoite surface proteins 1 and 3α, apical membrane antigen 1 and Duffy binding antigen. We next address neutral or nearly neutral molecular markers, especially microsatellite loci, providing a complete list of markers that have already been used in P. vivax populations studies. We also analyse the microsatellite loci identified in the P. vivax genome project. Finally, we discuss some practical uses for P. vivax genotyping, for example, detecting multiple-clone infections and tracking the geographic origin of isolates.

Antibodies against the Plasmodium falciparum glutamate-rich protein from naturally exposed individuals living in a Brazilian malaria-endemic area can inhibit in vitro parasite growth

The glutamate-rich protein (GLURP) is an exoantigen expressed in all stages of the Plasmodium falciparum life cycle in humans. Anti-GLURP antibodies can inhibit parasite growth in the presence of monocytes via antibody-dependent cellular inhibition (ADCI), and a major parasite-inhibitory region has been found in the N-terminal R0 region of the protein. Herein, we describe the antiplasmodial activity of anti-GLURP antibodies present in the sera from individuals naturally exposed to malaria in a Brazilian malaria-endemic area. The anti-R0 antibodies showed a potent inhibitory effect on the growth of P. falciparum in vitro, both in the presence (ADCI) and absence (GI) of monocytes. The inhibitory effect on parasite growth was comparable to the effect of IgGs purified from pooled sera from hyperimmune African individuals. Interestingly, in the ADCI test, higher levels of tumour necrosis factor alpha (TNF-α) were observed in the supernatant from cultures with higher parasitemias. Our data suggest that the antibody response induced by GLURP-R0 in naturally exposed individuals may have an important role in controlling parasitemia because these antibodies are able to inhibit the in vitro growth of P. falciparum with or without the cooperation from monocytes. Our results also indicate that TNF-α may not be relevant for the inhibitory effect on P. falciparum in vitro growth.

Validation d'une version abrégée du TCI (TCI-56) sur un échantillon de jeunes fumeurs et non-fumeurs

Introduction: The psychobiological seven-factor model proposed by Cloninger et al. (1993) takes into account temperament and character dimensions to describe personality. Four of the dimensions are linked with biological, genetic and neuroanatomic structures, whereas the three other dimensions are related to the degree of individual, social and spiritual development. A study conducted by Wills et al. (1994) with adolescents showed that substance abuse was associated with high scores on Novelty Seeking and low scores on Harm Avoidance and Reward Dependence. The aim of the present study was, firstly, to create a short form of Cloninger's (1993) Temperament and Character Inventory (TCI) and, secondly, to study the impact of nicotine dependence as well as demographic variables on a sample of young adults. Method: We created a short form of the TCI containing 56 items (TCI-56), 8 for each scale. Responses are made on a five-point Likert type scale. A Swiss sample (n=211), of 116 women and 95 men, aged from 15 to 30 years, participated in this study. Our population was divided into a group of 81 smokers and another of 130 non-smokers, according to their scores on the Fagerstörm test for nicotine dependence (1999). Results: The structural validation consisted of two separate factor analysis with varimax rotations, one for the temperamental items, and the other, for the character ones. The first factor analysis conducted on the items of the temperament scales allowed to extract 4 factors explaining 40.7% of the variance. The correlations between factors and scales are the following: r=.71 for Novelty Seeking, r=.69 for Persistence, r=.95 for Harm Avoidance, r=.94 for Reward Dependence. The second factor analysis conducted on the items of the character scales allowed to extract 3 factors explaining 41.5% of the variance. The correlations between factors and scales are the following: r=.94 for Self-Directedness, r=.91 for Cooperativeness and r=.99 for Self-Transcendence. The internal consistencies range from &#945;=.65 to &#945;=.75 for the temperament scales, and from &#945;=.71 to &#945;=.83 for the three character scales. Concerning, the impact of the nicotine dependence, we observed that smokers have significantly higher scores for Novelty seeking, than non-smokers (p=.01). We found no difference for Harm Avoidance and Reward Dependence. Nevertheless, smokers seem to have the tendency to score higher on Transcendence (p=.06). Moreover, people having smoked more than 100 cigarettes in their life have significantly higher scores on this scale (p.04) and the correlation between Transcendence and the Fagerstörm test is significant (r=.19). We also found gender differences: the women (N=116) obtain significantly higher scores for Harm Avoidance (p<.001), for Reward Dependence (p<.001) and for Cooperation (p=.01). We further found a significant correlation between age and Self-Directedness, r=.34. We observed no interaction between gender and smoking or age and smoking on the dimensions of the TCI-56. Discussion: The TCI short form (TCI-56) seems to be a valid and useful inventory to assess personality differences. Confirming the results of others about the relation between addiction and personality, we found that smokers have significantly higher scores for Novelty seeking, than non-smokers. But we were not able to find any significant differences for Harm Avoidance and Reward Dependence. This might be due to our sample that was made of young adults. This study also shows that Transcendence could be an interesting dimension for studies on Tobacco smoking to consider. Concerning the impact of demographic variables, we observed that age and gender have specific and coherent influence on personality.

Recognition of enteroinvasive Escherichia coli and Shigella flexneri by dendritic cells: distinct dendritic cell activation states

The innate and adaptive immune responses of dendritic cells (DCs) to enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) infection were compared with DC responses to Shigella flexneri infection. EIEC triggered DCs to produce interleukin (IL)-10, IL-12 and tumour necrosis factor (TNF)-&#945;, whereas S. flexneri induced only the production of TNF-&#945;. Unlike S. flexneri, EIEC strongly increased the expression of toll like receptor (TLR)-4 and TLR-5 in DCs and diminished the expression of co-stimulatory molecules that may cooperate to inhibit CD4+ T-lymphocyte proliferation. The inflammation elicited by EIEC seems to be related to innate immunity both because of the aforementioned results and because only EIEC were able to stimulate DC transmigration across polarised Caco-2 cell monolayers, a mechanism likely to be associated with the secretion of CC chemokine ligands (CCL)20 and TNF-&#945;. Understanding intestinal DC biology is critical to unravelling the infection strategies of EIEC and may aid in the design of treatments for infectious diseases.

Distinct cytokine profiles of circulating mononuclear cells stimulated with Staphylococcus aureus enterotoxin A in vitro during early and late episodes of chronic osteomyelitis

We investigated the cytokine profile of peripheral mononuclear cells from chronic osteomyelitis (OST) patients following in vitro stimulation with staphylococcal enterotoxin A (SEA). We demonstrate that stimulation with SEA induced prominent lymphocyte proliferation and high levels of tumour necrosis factor (TNF)-&#945;, interleukin (IL)-4 and IL-10 secretion in both OST and non-infected individuals (NI). Even though stimulation with SEA had no impact on IL-6 production in either patient group, the baseline level of IL-6 production by cells from OST patients was always significantly less than that produced by cells from NI. After classifying the osteomyelitic episodes based on the time after the last reactivation event as "early" (1-4 months) or "late" osteomyelitis (5-12 months), we found that increased levels of TNF-&#945; and IL-4 in combination with decreased levels of IL-6 were observed in the early episodes. By contrast, increased levels of IL-10, IL-2 and IL-6 were hallmarks of late episodes. Our data demonstrate that early osteomyelitic episodes are accompanied by an increased frequency of "high producers" of TNF-&#945; and IL-4, whereas late events are characterised by increased frequencies of "high producers" of IL-10, IL-6 and IL-2. These findings demonstrate the distinct cytokine profiles in chronic osteomyelitis, with a distinct regulation of IL-6 production during early and late episodes.

TNF-alpha-dependent loss of IKKbeta-deficient myeloid progenitors triggers a cytokine loop culminating in granulocytosis.

Loss of IκB kinase (IKK) β-dependent NF-κB signaling in hematopoietic cells is associated with increased granulopoiesis. Here we identify a regulatory cytokine loop that causes neutrophilia in Ikkβ-deficient mice. TNF-&#945;-dependent apoptosis of myeloid progenitor cells leads to the release of IL-1β, which promotes Th17 polarization of peripheral CD4(+) T cells. Although the elevation of IL-17 and the consecutive induction of granulocyte colony-stimulating factor compensate for the loss of myeloid progenitor cells, the facilitated induction of Th17 cells renders Ikkβ-deficient animals more susceptible to the development of experimental autoimmune encephalitis. These results unravel so far unanticipated direct and indirect functions for IKKβ in myeloid progenitor survival and maintenance of innate and Th17 immunity and raise concerns about long-term IKKβ inhibition in IL-17-mediated diseases.

Cytokines and visceral leishmaniasis: a comparison of plasma cytokine profiles between the clinical forms of visceral leishmaniasis

It is not well established whether cytokine production differs in response to different clinical forms of visceral leishmaniasis (VL). In this work, we performed a cross-sectional study to investigate the plasma levels of cytokines [interferon (IFN)-γ, tumour necrosis factor (TNF)-&#945;, interleukin (IL)-2, IL-4, IL-10 and IL-12] involved in the pathogenesis of VL in 80 subjects from VL endemic areas, including subjects with active VL, subjects with asymptomatic infection, subjects with cured VL and uninfected controls. The patients were recruited by sampling from a referral hospital and by random selection from a population-based cohort study. The results showed significant differences in the plasma concentration of all cytokines between the groups (p < 0.05). Patients with the active disease had higher plasma levels of IL-10, IL-4, INF-γ and TNF-&#945; relative to the other groups and they produced more IL-12 than asymptomatic and cured subjects. Only the IL-2 concentration was higher in the asymptomatic and cured subjects relative to the patients with active disease (p < 0.05). Our results suggest that these cytokines can be used as markers in epidemiological studies conducted in endemic areas to distinguish between different clinical forms of VL. However, their usefulness should be confirmed in investigations conducted in other endemic areas.

Of fat, β cells, and diabetes.

The molecular mechanisms linking diet, obesity, and type 2 diabetes are still poorly understood. In a recent paper, Ohtsubo et al. (2011) show that high lipid levels induce nuclear exclusion of Foxa2 and HNF1&#945; in β cells, leading to impaired expression and glycosylation of proteins controlling glucose-stimulated insulin secretion.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits &#945;, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of &#945;ENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of &#945;ENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in &#945;ENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in &#945;ENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités &#945;, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité &#945;ENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité &#945; en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris &#945;ENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris &#945;ENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris &#945;ENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (&#945;, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité &#945;ENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, &#945; et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique &#945; et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité &#945; de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité &#945; de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic &#945; subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the &#945; subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase &#945; subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine &#945;-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine &#945;-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin &#945;-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin &#945;-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.