Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

IRF6 is a mediator of the Notch pro-differentiation and tumour suppressive function in keratinocytes

I. Résumé large publicIRF6 est un médiateur de Notch dans la différenciation des kératinocytes et dans sa fonction de suppresseur de tumeursLa peau est l'organe le plus important du corps humain, elle représente chez l'adulte une surface d'environ 1,5 m2 et elle est composée de 2000 milliards de cellules. La peau est composée de plusieurs types cellulaires dont les kératinocvtes. Ces cellules, qui se trouvent dans la couche la plus externe de la peau (Pépiderme), nous protègent de la déshydratation et des agressions externes telles que les infections et rayons ultraviolets. Cette fonction de « barrière » est mise en place grâce à un processus appelé différenciation des kératinocvtes durant lequel les kératinocytes deviennent matures et finalement meurent pour former la couche cornée la plus externe difficilement pénétrable. L'homéostasie tissulaire est un mécanisme qui régule l'équilibre entre prolifération, différentiation et mort cellulaire. Une perturbation de cet équilibre peut mener à la formation d'une tumeur. Il existe différents types de tumeurs de la peau. Nous nous sommes intéressés aux «carcinomes spino-cellulaires» (SCC) qui se développent à partir des keratinocytes en différenciation. Notch est une molécule impliquée positivement dans la différenciation des kératinocytes et joue un rôle prépondérant dans la suppression des tumeurs kératinocytaires comme les SCC dans lesquelles Notch est faiblement exprimé. L'implication de Notch dans la différenciation et dans la carcinogenèse kératinocytaire n'est plus controversée, mais les mécanismes qui sont à la base de ces fonctions restent encore à élucider. IRfF6 est une protéine qui, d'après sa structure, a été classée parmi une famille de régulateurs de la défense de l'organisme (IRFs). Des études ultérieures ont montré qu'IRf 6 n'a pas de rôle dans la réponse immunitaire mais qu'il est plutôt impliqué dans le développement de l'épiderme. Dans ce travail, nous avons établi que, dans les kératinocytes, l'expression d'IPJF6 est contrôlé par Notch et que, comme pour ce dernier, elle est réduite dans les SCCs. De plus, nous avons observé qu'IRF6 régule les mêmes gènes que Notch, et qu'il est en effet un médiateur de la fonction de Notch dans la différenciation des kératinocytes. Parmi les gènes contrôlés par l'axe Notch-IRF6 il y en a trois qui sont sur-exprimés dans les SCCs et qui sont réprimés par cet axe. Il s'agit d'une part d'IRF3 et IRF7, deux autres membres de la famille IRF, et du récepteur EGFR (Epidermal growth factor receptor), un oncogène (un gène impliqué dans l'accélération de la formation de tumeurs). Dans leur ensemble, ces découvertes nous informent sur les mécanismes impliqués dans les fonctions pro-differentiatrice et tumeur suppressive de Notch. Plus encore, elles ouvrent des perspectives intéressantes quant au développement de nouvelles approches thérapeutiques dans le traitement des cancers.II. RésuméLa voie de signalisation de Notch joue un rôle très important dans la différenciation cellulaire et dans la carcinogenèse de nombreux tissus. Dans les kératinocytes, elle agit comme suppresseur de tumeurs, fonction altérée dans les cancers spino cellulaires SCC (tumeurs kératinocytaires) de part la perte d'expression de Notch.Bien que les fonctions pro-différenciatrice et tumeur-suppressive de la voie de signalisation de Notch soient aujourd'hui reconnues, les mécanismes sous-jacents restent à explorer.Dans ce travail, nous montrons qu'IRF6, un membre de la famille des régulateurs de la voie de l'interféron (IRF), ne possédant pas de rôles dans la réponse immunitaire mais essentiel dans le développement de l'épiderme, est d'autant plus exprimé que le kératinocytes sont différenciées alors que son expression est drastiquement diminuée dans les SCC. De façon intéressante, l'expression d'IRF6 durant la différenciation kératinocytaire est directement contrôlée par Notch.Dans les kératinocytes l'expression accrue d'IRP6 a les mêmes effets que 1'activation de la voie de Notch induisant les marqueurs de différentiation des couches supra-basales de l'épiderme et inhibant ceux de la couche basale impliqués dans la prolifération cellulaire. Cependant IRF6 n'est pas impliqué dans la régulation d'autres cibles de Notch, comme p21WAFI/CiP' et Hesl. Comme Notch, IRF6 contrôle négativement l'expression de EGFR et IRF3/7. De ce fait EGFR et IRF3 et IRF7 sont fortement exprimés dans les SCCs humaines où l'expression de Notch et IRF6 est fortement réduite.En conclusion, nous avons démontré qu'IRF6 est une cible directe de Notch/CSL dans les keratinocytes qui medie les effets "non-canonique" de cette voie de signalisation dans la différentiation et dans la suppression tumorale.III. SummaryThe Notch pathway is an important regulator of differentiation and carcinogenesis. In keratinocytes it acts as tumour suppressor and the Notch gene is markedly reduced in keratinocyte-derived squamous cell carcinoma (SCC). While the pro-differentiation and tumour suppressive functions of Notch signalling in keratinocytes are well established, the underlying mechanisms are still poorly understood, We report here that Interferon Regulatory Factor 6 (IRF6), an IRF family member with an essential role in epidermal development, is downmodulated in SCC and is induced in differentiating cells. We observed that the induction of IRF6 in differentiating keratinocytes is suppressed by Notch inhibition. IRF6 expression is also decreased in mice with keratinocyte-specific deletion of the Notch 1/2.Moreover we show that the expression of this gene is induced by Notch activation through a CSL-dependent mechanism even under conditions of protein synthesis inhibition, with endogenous Notch 1 binding to the IRF6 promoter.Increased IRJF6 expression is necessary for the impact of Notch activation on differentiation markers K1 and Involucrin, and proliferation markers integrins and p63, but not on other "canonical" Notch targets like p21WAF1/Cipl, Hes1 and Hey1. Like Notch 1, IRF6 down-modulates expression of epidermal growth factor receptor (EGFR) as well as two other IRF family members, IRF3 and 7, which we previously linked to positive control of p63 expression. Expression of IRF3, IRF7 and EGFR is enhanced in cutaneous squamous cell carcinomas, illustrating a strikingly opposite pattern compared to Notch and IRF6.Thus, IRF6 is a primary Notch target in keratinocytes, which mediates the effects of this pathway on differentiation and contributes to tumor suppression.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

[Lettre autographe signée de Giuseppe Verdi adressée à Escudier, Gênes, 20 octobre 1858]

Post-scriptum en français de Giuseppina Verdi

[Lettre autographe signée de Giuseppe Verdi adressée à Escudier, Gênes, 6 juillet 1866]

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