Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

A study of the translational regulation exerted by some neuroactive substances on the expression of the monocarboxylate transporter MCT2 in cultured cortical neurons

Summary of the thesis Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate, and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood brain barrier as well as out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal form and little is known about the regulation of its expression. The neurotransmitter noradrenaline (NA) was shown previously to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here, we demonstrate that two other substances, namely, insulin and IGF-1 enhance MCT2 protein expression in cultured mouse cortical neurons in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. This result confirmed that MCT2 protein expression is translationally regulated and extend the observation to different types of neuroactive substances. Then we sought to determine by which signaling pathway(s) NA, insulin and IGF-1 can induce MCT2 protein expression. First, we observed by Western blot that all three substances cause activation of the MAP kinase ERK as well as the kinase Akt via their phosphorylation. Moreover, the mTOR/S6K pathway which is known to play an important role in translation initiation regulation was also strongly stimulated by all three substances. Second, we sought to determine the implication of these signaling pathways on the NA-, insulin- and IGF-1-induced enhancement of MCT2 protein expression and used specific inhibitors of these signaling pathways. We observed that the Pia kinase and mTOR inhibitors LY294002 and rapamycin respectively, strongly prevent the enhancement. of MCT2 expression caused by either NA, insulin ar IGF-1. In contrast, the MEK inhibitor PD98059 and the p38 MAP kinase inhibitor SB202190 had only a slight effect on the enhancement of MCT2 expression in all three cases. These results suggest that NA, insulin and IGF-1 regulate MCT2 protein expression by a common mechanism most likely involving the Akt/PKB pathway and translational activation via mTOR. In conclusion, considering the roles of NA, insulin and IGF-1 in synaptic plasticity, the tight translational regulation of MCT2 expression by these substances may represent a common mechanism through which supply of potentiated synapses with nonglucose energy substrates can be adapted to the level of activity. Résumé du travail de thèse Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergétiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famille de transporteurs spécifiques, protons-dépendants, appelés transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que le neurotransmetteur noradrénaline (NA) augmente l'expression de MCT2 dans les cultures de neurones corticaux de souris par le biais d'un mécanisme de régulation traductionnel. La présente étude nous a permis de démontrer que deux autres substances, l'insuline et 17GF-1, induisent une augmentation de la protéine MCT2 dans ces mêmes cultures selon un décours temporel et une gamme de concentrations particulière. Etonnamment, aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Ce résultat .confirme que la protéine MCT2 est régulée de manière traductionnelle et révèle que différentes substances neuro-actives peuvent réguler l'expression de MCT2. Compte tenu de ces observations, nous avons voulu déterminer par quelle(s) voie(s) de signalisation la NA, l'insuline et l'IGF-1 exercent leur effet sur l'expression de MCT2. Dans un premier temps, nous avons pu observer par Western blot que ces trois substances activent la MAP kinase ERK ainsi que la kinase Akt via leur phasphorylation. De plus, la voie mTOR/S6K, connue pour son implication dans la régulation de l'initiation de la traduction est aussi fortement activée par ces trois substances. Dans un second temps, nous avons voulu déterminer I implication de chacune de ces voies de signalisation dans l'augmentation de l'expression de la protéine MCT2 observée après stimulation à la NA, à l'insuline et à l'IGF-1. Pour ce faire, nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques de chacune de ces voies. (Vous avons observé que les inhibiteurs des voies PI3 kinase et mTOR (LY294002 et rapamycin respectivement), prévenaient fortement l'augmentation de l'expression de MCT2 induite par la NA, l'insuline ou (IGF-1. A l'inverse, les inhibitions de la MAP kinase .kinase MEK ainsi que de la MAP kinase p38 (par l'utilisation des inhibiteurs spécifiques PD98059 et SB202190 respectivement) n'ont eu qu'un léger effet dans ces mêmes conditions. Ces résultats suggèrent que la NA, 'l'insuline et I~GF-1 régulent l'expression de la protéine MCT2 par un mécanisme commun impliquant probablement la voie Akt/PKB et l'activation de la traduction via mTOR. En conclusion, considérant l'implication de la NA, de l'insuline et de I`IGF-1 dans la plasticité synaptique, le contrôle traductionnel étroit exercé par ces substances sur l'expression de MCT2 pourrait être un moyen d'alimenter en substrats énergétiques autres que le glucose les synapses activées et également d'adapter l'approvisionnement en substrats énergétiques au niveau d'activité. Résumé « grand public » Le cerveau est un organe qui réalise des tâches complexes nécessitant un apport important en énergie. La principale source d'énergie du cerveau est le glucose. Bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse corporelle, il consomme à lui seul plus de 25% du glucose et 20% de l'oxygène provenant de la circulation sanguine. La nécessité d'un tel apport en énergie réside dans la nature -même du fonctionnement des milliards de neurones qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour communiquer entre eux. Hormis l'utilisation massive du glucose comme source d'énergie, le cerveau est capable de consommer d'autres substrats énergétiques dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques. Les monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) font partie de ces autres sources d'énergie. Contrairement au glucose, les monocarboxylates ne diffusent pas facilement de la circulation sanguine vers les neurones. Afin de pouvoir être consommés par les neurones, ils doivent être transportés par un système adapté. Ce sont des transporteurs appelés transporteurs aux monocarboxylates ou MCT qui permettent le passage de ces substrats énergétiques du sang vers les neurones. Le but de ce travail de thèse a été de comprendre comment est régulée l'expression de MCT2, l'un de ces transporteurs exprimé spécifiquement à la surface des neurones. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que le neurotransmetteur noradrénaline ainsi que les hormones insuline et IGF-1 (insulinlike growth factor-1) sont capables d'induire une augmentation d'expression de MCT2 à la surface des neurones en culture. Nous avons ensuite voulu déterminer par quels mécanismes de signalisation ces substances agissent sur l'expression de MCT2. Nous avons pu observer que la surexpression de la protéine MCT2 est due à une augmentation d'activité traductionnelle (la traduction étant une des étapes qui permet la synthèse des protéines) induite par le biais d'une voie de signalisation particulière. En conclusion, lorsque la noradrénaline, l'insuline ou 17GF-1 agissent sur les neurones, la traduction de la protéine MCT2 est activée et on observe une augmentation de l'expression de MCT2. Ce mécanisme pourrait permettre d'augmenter l'apport énergétique au niveau des neurones en augmentant le nombre de transporteurs pour les substrats énergétiques que sont les monocarboxylates. D'un point de vue physiologique, cette régulation d'expression pourrait jouer un rôle primordial dans des situations d'apprentissage et de mémorisation. Sur le plan pathologique, cela pourrait permettre de prévenir les dommages causes aux neurones dans certains cas d'atteintes cérébrales.

CB1 blockade potentiates down-regulation of lipogenic gene expression in perirenal adipose tissue in high carbohydrate diet-induced obesity.

De novo lipogenesis and hypercaloric diets are thought to contribute to increased fat mass, particularly in abdominal fat depots. CB1 is highly expressed in adipose tissue, and CB1-mediated signalling is associated with stimulation of lipogenesis and diet-induced obesity, though its contribution to increasing fat deposition in adipose tissue is controversial. Lipogenesis is regulated by transcription factors such as liver X receptor (LXR), sterol-response element binding protein (SREBP) and carbohydrate-responsive-element-binding protein (ChREBP). We evaluated the role of CB1 in the gene expression of these factors and their target genes in relation to lipogenesis in the perirenal adipose tissue (PrAT) of rats fed a high-carbohydrate diet (HCHD) or a high-fat diet (HFD). Both obesity models showed an up-regulated gene expression of CB1 and Lxrα in this adipose pad. The Srebf-1 and ChREBP gene expressions were down-regulated in HFD but not in HCHD. The expression of their target genes encoding for lipogenic enzymes showed a decrease in diet-induced obesity and was particularly dramatic in HFD. In HCHD, CB1 blockade by AM251 reduced the Srebf-1 and ChREBP expression and totally abrogated the remnant gene expression of their target lipogenic enzymes. The phosphorylated form of the extracellular signal-regulated kinase (ERK-p), which participates in the CB1-mediated signalling pathway, was markedly present in the PrAT of obese rats. ERK-p was drastically repressed by AM251 indicating that CB1 is actually functional in PrAT of obese animals, though its activation loses the ability to stimulate lipogenesis in PrAT of obese rats. Even so, the remnant expression levels of lipogenic transcription factors found in HCHD-fed rats are still dependent on CB1 activity. Hence, in HCHD-induced obesity, CB1 blockade may help to further potentiate the reduction of lipogenesis in PrAT by means of inducing down-regulation of the ChREBP and Srebf-1 gene expression, and consequently in the expression of lipogenic enzymes.

Regulation of cell death receptor S-nitrosylation and apoptotic signaling by Sorafenib in hepatoblastoma cells.

Nitric oxide (NO) plays a relevant role during cell death regulation in tumor cells. The overexpression of nitric oxide synthase type III (NOS-3) induces oxidative and nitrosative stress, p53 and cell death receptor expression and apoptosis in hepatoblastoma cells. S-nitrosylation of cell death receptor modulates apoptosis. Sorafenib is the unique recommended molecular-targeted drug for the treatment of patients with advanced hepatocellular carcinoma. The present study was addressed to elucidate the potential role of NO during Sorafenib-induced cell death in HepG2 cells. We determined the intra- and extracellular NO concentration, cell death receptor expression and their S-nitrosylation modifications, and apoptotic signaling in Sorafenib-treated HepG2 cells. The effect of NO donors on above parameters has also been determined. Sorafenib induced apoptosis in HepG2 cells. However, low concentration of the drug (10nM) increased cell death receptor expression, as well as caspase-8 and -9 activation, but without activation of downstream apoptotic markers. In contrast, Sorafenib (10µM) reduced upstream apoptotic parameters but increased caspase-3 activation and DNA fragmentation in HepG2 cells. The shift of cell death signaling pathway was associated with a reduction of S-nitrosylation of cell death receptors in Sorafenib-treated cells. The administration of NO donors increased S-nitrosylation of cell death receptors and overall induction of cell death markers in control and Sorafenib-treated cells. In conclusion, Sorafenib induced alteration of cell death receptor S-nitrosylation status which may have a relevant repercussion on cell death signaling in hepatoblastoma cells.

A role for glutamate transporters in the regulation of insulin secretion.

In the brain, glutamate is an extracellular transmitter that mediates cell-to-cell communication. Prior to synaptic release it is pumped into vesicles by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). To inactivate glutamate receptor responses after release, glutamate is taken up into glial cells or neurons by excitatory amino acid transporters (EAATs). In the pancreatic islets of Langerhans, glutamate is proposed to act as an intracellular messenger, regulating insulin secretion from β-cells, but the mechanisms involved are unknown. By immunogold cytochemistry we show that insulin containing secretory granules express VGLUT3. Despite the fact that they have a VGLUT, the levels of glutamate in these granules are low, indicating the presence of a protein that can transport glutamate out of the granules. Surprisingly, in β-cells the glutamate transporter EAAT2 is located, not in the plasma membrane as it is in brain cells, but exclusively in insulin-containing secretory granules, together with VGLUT3. In EAAT2 knock out mice, the content of glutamate in secretory granules is higher than in wild type mice. These data imply a glutamate cycle in which glutamate is carried into the granules by VGLUT3 and carried out by EAAT2. Perturbing this cycle by knocking down EAAT2 expression with a small interfering RNA, or by over-expressing EAAT2 or a VGLUT in insulin granules, significantly reduced the rate of granule exocytosis. Simulations of granule energetics suggest that VGLUT3 and EAAT2 may regulate the pH and membrane potential of the granules and thereby regulate insulin secretion. These data suggest that insulin secretion from β-cells is modulated by the flux of glutamate through the secretory granules.

Extracellular protease and phospholipase C are controlled by the global regulatory gene gacA in the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHA0.

Pseudomonas fluorescens strain CHA0 protects plants from various root diseases. Antibiotic metabolites synthesized by this strain play an important role in disease suppression; their production is mediated by the global activator gene gacA. Here we show by complementation that the gacA gene is also essential for the expression of two extracellular enzymes in P. fluorescens CHA0: phospholipase C and a 47-kDa metalloprotease. In contrast, the production of another exoenzyme, lipase, is not regulated by the gacA gene. Protease, phospholipase and antibiotics of P. fluorescens are all known to be optimally produced at the end of exponential growth; thus, the gacA gene appears to be a general stationary-phase regulator.

Dynamic regulation of notch 1 and notch 2 surface expression during T cell development and activation revealed by novel monoclonal antibodies.

It is well established that Notch signaling plays a critical role at multiple stages of T cell development and activation. However, detailed analysis of the cellular and molecular events associated with Notch signaling in T cells is hampered by the lack of reagents that can unambiguously measure cell surface Notch receptor expression. Using novel rat mAbs directed against the extracellular domains of Notch1 and Notch2, we find that Notch1 is already highly expressed on common lymphoid precursors in the bone marrow and remains at high levels during intrathymic maturation of CD4(-)CD8(-) thymocytes. Notch1 is progressively down-regulated at the CD4(+)CD8(+) and mature CD4(+) or CD8(+) thymic stages and is expressed at low levels on peripheral T cells. Immunofluorescence staining of thymus cryosections further revealed a localization of Notch1(+)CD25(-) cells adjacent to the thymus capsule. Notch1 was up-regulated on peripheral T cells following activation in vitro with anti-CD3 mAbs or infection in vivo with lymphocytic chorio-meningitis virus or Leishmania major. In contrast to Notch1, Notch2 was expressed at intermediate levels on common lymphoid precursors and CD117(+) early intrathymic subsets, but disappeared completely at subsequent stages of T cell development. However, transient up-regulation of Notch2 was also observed on peripheral T cells following anti-CD3 stimulation. Collectively our novel mAbs reveal a dynamic regulation of Notch1 and Notch2 surface expression during T cell development and activation. Furthermore they provide an important resource for future analysis of Notch receptors in various tissues including the hematopoietic system.

Selective regulation of acid-sensing ion channel 1 by serine proteases.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family. ASICs are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. Conditions of low extracellular pH, such as ischemia and inflammation in which ASICs are thought to be active, are accompanied by increased protease activity. We show here that serine proteases modulate the function of ASIC1a and ASIC1b but not of ASIC2a and ASIC3. We show that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1a activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in current response if ASIC1a is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of approximately 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provide evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in neurons. Thus, we have identified a mechanism that modulates ASIC function and may allow ASIC1a to adapt its gating to situations of persistent extracellular acidification.

Canine distemper virus infection of primary hippocampal cells induces increase in extracellular glutamate and neurodegeneration.

The canine distemper virus (CDV) belongs to the Morbillivirus genus which includes important human pathogens like the closely related measles virus. CDV infection can reach the nervous system where it causes serious malfunctions. Although this pathology is well described, the molecular events in brain infection are still poorly understood. Here we studied infection in vitro by CDV using a model of dissociated cell cultures from newborn rat hippocampus. We used a recombinant CDV closely related to the neurovirulent A75/17 which also expresses the enhanced green fluorescent protein. We found that infected neurons and astrocytes could be clearly detected, and that infection spreads only slowly to neighboring cells. Interestingly, this infection causes a massive cell death of neurons, which includes also non-infected neurons. Antagonists of NMDA-type or alpha-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propinate (AMPA)-type glutamate receptors could slow down this neuron loss, indicating an involvement of the glutamatergic system in the induction of cell death in infected and non-infected cells. Finally, we show that, following CDV infection, there is a steady increase in extracellular glutamate in infected cultures. These results indicate that CDV infection induces excitotoxic insults on neurons via glutamatergic signaling.

The alternatively spliced domain TnFnIII A1A2 of the extracellular matrix protein tenascin-C suppresses activation-induced T lymphocyte proliferation and cytokine production.

Several lines of evidences have suggested that T cell activation could be impaired in the tumor environment, a condition referred to as tumor-induced immunosuppression. We have previously shown that tenascin-C, an extracellular matrix protein highly expressed in the tumor stroma, inhibits T lymphocyte activation in vitro, raising the possibility that this molecule might contribute to tumor-induced immunosuppression in vivo. However, the region of the protein mediating this effect has remained elusive. Here we report the identification of the minimal region of tenascin-C that can inhibit T cell activation. Recombinant fragments corresponding to defined regions of the molecule were tested for their ability to inhibit in vitro activation of human peripheral blood T cells induced by anti-CD3 mAbs in combination with fibronectin or IL-2. A recombinant protein encompassing the alternatively spliced fibronectin type III domains of tenascin-C (TnFnIII A-D) vigorously inhibited both early and late lymphocyte activation events including activation-induced TCR/CD8 down-modulation, cytokine production, and DNA synthesis. In agreement with this, full length recombinant tenascin-C containing the alternatively spliced region suppressed T cell activation, whereas tenascin-C lacking this region did not. Using a series of smaller fragments and deletion mutants issued from this region, we have identified the TnFnIII A1A2 domain as the minimal region suppressing T cell activation. Single TnFnIII A1 or A2 domains were no longer inhibitory, while maximal inhibition required the presence of the TnFnIII A3 domain. Altogether, these data demonstrate that the TnFnIII A1A2 domain mediate the ability of tenascin-C to inhibit in vitro T cell activation and provide insights into the immunosuppressive activity of tenascin-C in vivo.

Hypomyelination Caused by Scap Deletion is Slowly Rescued by Extracellular Lipids that Alter Myelin Structure

Myelination requires a massive increase in glial cell membrane synthesis. Here we demonstrate that the acute phase of myelin lipid synthesis is regulated by SREBP cleavage activation protein (SCAP), an activator of sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs). Deletion of SCAP in Schwann cells led to a loss of SREBP-mediated gene expression, congenital hypomyelination and abnormal gait. Interestingly, aging SCAP mutant mice showed partial regain of function; they exhibited improved gait and produced small amounts of myelin indicating a slow SCAP-independent uptake of external lipids. Accordingly, extracellular lipoproteins promoted myelination by SCAP mutant Schwann cells. However, SCAP mutant myelin never reached normal thickness and had biophysical abnormalities concordant with abnormal lipid composition. These data demonstrate that SCAP mediated regulation of glial lipogenesis is key to the proper synthesis of myelin membrane. The described defects in SCAP mutant myelination provide new insights into the pathogenesis, and open new avenues for treatment strategies, of peripheral neuropathies associated with lipid metabolic disorders.

Requirement of glucose metabolism for regulation of glucose transporter type 2 (GLUT2) gene expression in liver.

Previous studies have shown that glucose increases the glucose transporter (GLUT2) mRNA expression in the liver in vivo and in vitro. Here we report an analysis of the effects of glucose metabolism on GLUT2 gene expression. GLUT2 mRNA accumulation by glucose was not due to stabilization of its transcript but rather was a direct effect on gene transcription. A proximal fragment of the 5' regulatory region of the mouse GLUT2 gene linked to a reporter gene was transiently transfected into liver GLUT2-expressing cells. Glucose stimulated reporter gene expression in these cells, suggesting that glucose-responsive elements were included within the proximal region of the promoter. A dose-dependent effect of glucose on GLUT2 expression was observed over 10 mM glucose irrespective of the hexokinase isozyme (glucokinase K(m) 16 mM; hexokinase I K(m) 0.01 mM) present in the cell type used. This suggests that the correlation between extracellular glucose and GLUT2 mRNA concentrations is simply a reflection of an activation of glucose metabolism. The mediators and the mechanism responsible for this response remain to be determined. In conclusion, glucose metabolism is required for the proper induction of the GLUT2 gene in the liver and this effect is transcriptionally regulated.

Plasma membrane H+-ATPase regulation is required for auxin gradient formation preceding phototropic growth.

Phototropism is a growth response allowing plants to align their photosynthetic organs toward incoming light and thereby to optimize photosynthetic activity. Formation of a lateral gradient of the phytohormone auxin is a key step to trigger asymmetric growth of the shoot leading to phototropic reorientation. To identify important regulators of auxin gradient formation, we developed an auxin flux model that enabled us to test in silico the impact of different morphological and biophysical parameters on gradient formation, including the contribution of the extracellular space (cell wall) or apoplast. Our model indicates that cell size, cell distributions, and apoplast thickness are all important factors affecting gradient formation. Among all tested variables, regulation of apoplastic pH was the most important to enable the formation of a lateral auxin gradient. To test this prediction, we interfered with the activity of plasma membrane H(+)-ATPases that are required to control apoplastic pH. Our results show that H(+)-ATPases are indeed important for the establishment of a lateral auxin gradient and phototropism. Moreover, we show that during phototropism, H(+)-ATPase activity is regulated by the phototropin photoreceptors, providing a mechanism by which light influences apoplastic pH.

Neonatal steroids induce a down-regulation of tenascin-C and elastin and cause a deceleration of the first phase and an acceleration of the second phase of lung alveolarization.

Pre- and postnatal corticosteroids are often used in perinatal medicine to improve pulmonary function in preterm infants. To mimic this clinical situation, newborn rats were treated systemically with dexamethasone (Dex), 0.1-0.01 mg/kg/day on days P1-P4. We hypothesized that postnatal Dex may have an impact on alveolarization by interfering with extracellular matrix proteins and cellular differentiation. Morphological alterations were observed on 3D images obtained by high-resolution synchrotron radiation X-ray tomographic microscopy. Alveolarization was quantified stereologically by estimating the formation of new septa between days P4 and P60. The parenchymal expression of tenascin-C (TNC), smooth muscle actin (SMA), and elastin was measured by immunofluorescence and gene expression for TNC by qRT-PCR. After Dex treatment, the first phase of alveolarization was significantly delayed between days P6 and P10, whereas the second phase was accelerated. Elastin and SMA expressions were delayed by Dex treatment, whereas TNC expression was delayed and prolonged. A short course of neonatal steroids impairs the first phase of alveolarization, most likely by altering the TNC and elastin expression. Due to an overshooting catch-up during the second phase of alveolarization, the differences disappear when the animals reach adulthood.

Calcium reabsorption in the distal tubule: regulation by sodium, pH, and flow.

We developed a mathematical model of Ca transport along the late distal convoluted tubule (DCT2) and the connecting tubule (CNT) to investigate the mechanisms that regulate Ca reabsorption in the DCT2-CNT. The model accounts for apical Ca influx across transient receptor potential vanilloid 5 (TRPV5) channels and basolateral Ca efflux via plasma membrane Ca-ATPase pumps and type 1 Na/Ca exchangers (NCX1). Model simulations reproduce experimentally observed variations in Ca uptake as a function of extracellular pH, Na, and Mg concentration. Our results indicate that amiloride enhances Ca reabsorption in the DCT2-CNT predominantly by increasing the driving force across NCX1, thereby stimulating Ca efflux. They also suggest that because aldosterone upregulates both apical and basolateral Na transport pathways, it has a lesser impact on Ca reabsorption than amiloride. Conversely, the model predicts that full NCX1 inhibition and parathyroidectomy each augment the Ca load delivered to the collecting duct severalfold. In addition, our results suggest that regulation of TRPV5 activity by luminal pH has a small impact, per se, on transepithelial Ca fluxes; the reduction in Ca reabsorption induced by metabolic acidosis likely stems from decreases in TRPV5 expression. In contrast, elevations in luminal Ca are predicted to significantly decrease TRPV5 activity via the Ca-sensing receptor. Nevertheless, following the administration of furosemide, the calcium-sensing receptor-mediated increase in Ca reabsorption in the DCT2-CNT is calculated to be insufficient to prevent hypercalciuria. Altogether, our model predicts complex interactions between calcium and sodium reabsorption in the DCT2-CNT.