The t-SNARE syntaxin 4 is regulated during macrophage activation to function in membrane traffic and cytokine secretion

Activation of macrophages with lipopolysaccharide (LPS) induces the rapid synthesis and secretion of proinflammatory cytokines, such as tumor necrosis factor (TNFalpha), for priming the immune response [1, 2]. TNFalpha plays a key role in inflammatory disease [3]; yet, little is known of the intracellular trafficking events leading to its secretion. In order to identify molecules involved in this secretory pathway, we asked whether any of the known trafficking proteins are regulated by LPS. We found that the levels of SNARE proteins were rapidly and significantly up- or downregulated during macrophage activation. A subset of t-SNAREs (Syntaxin 4/SNAP23/Munc18c) known to control regulated exocytosis in other cell types [4, 5] was substantially increased by LPS in a temporal pattern coinciding with peak TNFalpha secretion. Syntaxin 4 formed a complex with Munc18c at the cell surface of macrophages. Functional studies involving the introduction of Syntaxin 4 cDNA or peptides into macrophages implicate this t-SNARE in a rate-limiting step of TNFalpha secretion and in membrane ruffling during macrophage activation. We conclude that in macrophages, SNAREs are regulated in order to accommodate the rapid onset of cytokine secretion and for membrane traffic associated with the phenotypic changes of immune activation. This represents a novel regulatory role for SNAREs in regulated secretion and in macrophage-mediated host defense.

Targeting of secretory IgA to Peyer's patch dendritic and T cells after transport by intestinal M cells.

In addition to being instrumental to the protection of mucosal epithelia, secretory IgA (SIgA) adheres to and is transported by intestinal Peyer's patch (PP) M cells. The possible functional reason for this transport is unknown. We have thus examined in mice the outcome of SIgA delivered from the intestinal lumen to the cells present in the underlying organized mucosa-associated lymphoreticular tissue. We show selective association of SIgA with dendritic cells and CD4(+) T and B lymphocytes recovered from PP in vitro. In vivo, exogenously delivered SIgA is able to enter into multiple PP lining the intestine. In PP, SIgA associates with and is internalized by dendritic cells in the subepithelial dome region, whereas the interaction with CD4(+) T cells is limited to surface binding. Interaction between cells and SIgA is mediated by the IgA moiety and occurs for polymeric and monomeric molecular forms. Thus, although immune exclusion represents the main function of SIgA, transport of the Ab by M cells might promote Ag sampling under neutralizing conditions essential to the homeostasis of mucosal surfaces.

Agglutinating Secretory IgA Preserves Intestinal Epithelial Cell Integrity during Apical Infection by Shigella flexneri.

Shigella flexneri, by invading intestinal epithelial cells (IECs) and inducing inflammatory responses of the colonic mucosa, causes bacillary dysentery. Although M cells overlying Peyer's patches are commonly considered the primary site of entry of S. flexneri, indirect evidence suggests that bacteria can also use IECs as a portal of entry to the lamina propria. Passive delivery of secretory IgA (SIgA), the major immunoglobulin secreted at mucosal surfaces, has been shown to protect rabbits from experimental shigellosis, but no information exists as to its molecular role in maintaining luminal epithelial integrity. We have established that the interaction of virulent S. flexneri with the apical pole of a model intestinal epithelium consisting of polarized Caco-2 cell monolayers resulted in the progressive disruption of the tight junction network and actin depolymerization, eventually resulting in cell death. The lipopolysaccharide (LPS)-specific agglutinating SIgAC5 monoclonal antibody (MAb), but not monomeric IgAC5 or IgGC20 MAbs of the same specificity, achieved protective functions through combined mechanisms, including limitation of the interaction between S. flexneri and epithelial cells, maintenance of the tight junction seal, preservation of the cell morphology, reduction of NF-κB nuclear translocation, and inhibition of proinflammatory mediator secretion. Our results add to the understanding of the function of SIgA-mediated immune exclusion by identifying a mode of action whereby the formation of immune complexes translates into maintenance of the integrity of epithelial cells lining the mucosa. This novel mechanism of protection mediated by SIgA is important to extend the arsenal of effective strategies to fight against S. flexneri mucosal invasion.

Role of secretory IgA in infection and maintenance of homeostasis.

An important activity of mucosal surfaces is the production of antibodies (Abs) referred to as secretory immunoglobulin A (SIgA) that serve as a first line of defense to repel pathogenic microorganisms and provide a finely tuned balance to guarantee controlled survival of essential commensal bacteria. By excluding bacteria from the epithelial cell, SIgA participates in the cross-talk between the host and its intestinal content, ensuring appropriate homeostasis under normal conditions. Besides the classical view of immune exclusion function, SIgA Abs exhibit the striking feature to adhere to gastrointestinal M cells residing in the follicle-associated epithelium in organized structures called Peyer's patches. Selective binding of SIgA results in transport across the microfold (M) cells, a process that facilitates the association of the Ab with dendritic cells (DCs) located in the underlying subepithelial dome region of Peyer's patches. Limited entry of free SIgA and SIgA-coated bacteria via this pathway is crucial to the modulation of local immune responses in an environment that limits the onset of pro-inflammatory circuits. Such a mechanism would ensure homeostasis by allowing antigen recognition under neutralized conditions and by avoiding tissue dissemination, two features that endow SIgA with non-inflammatory properties in the mucosal environment.

Secretory IgA Induces Tolerogenic Dendritic Cells through SIGNR1 Dampening Autoimmunity in Mice.

IgA plays ambivalent roles in the immune system. The balance between inhibitory and activating responses relies on the multimerization status of IgA and interaction with their cognate receptors. In mucosal sites, secretory IgA (SIgA) protects the host through immune-exclusion mechanisms, but its function in the bloodstream remains unknown. Using bone marrow-derived dendritic cells, we found that both human and mouse SIgA induce tolerogenic dendritic cells (DCs) following binding to specific ICAM-3 grabbing nonintegrin receptor 1. This interaction was dependent on Ca(2+) and mannose residues. SIgA-primed DCs (SIgA-DCs) are resistant to TLR-dependent maturation. Although SIgA-DCs fail to induce efficient proliferation and Th1 differentiation of naive responder T cells, they generate the expansion of regulatory T cells through IL-10 production. SIgA-DCs are highly potent in inhibiting autoimmune responses in mouse models of type 1 diabetes and multiple sclerosis. This discovery may offer new insights about mucosal-derived DC immunoregulation through SIgA opening new therapeutic approaches to autoimmune diseases.

Genetic evidence that the higher plant Rab-D1 and Rab-D2 GTPases exhibit distinct but overlapping interactions in the early secretory pathway.

GTPases of the Rab1 subclass are essential for membrane traffic between the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi complex in animals, fungi and plants. Rab1-related proteins in higher plants are unusual because sequence comparisons divide them into two putative subclasses, Rab-D1 and Rab-D2, that are conserved in monocots and dicots. We tested the hypothesis that the Rab-D1 and Rab-D2 proteins of Arabidopsis represent functionally distinct groups. RAB-D1 and RAB-D2a each targeted fluorescent proteins to the same punctate structures associated with the Golgi stacks and trans-Golgi-network. Dominant-inhibitory N121I mutants of each protein inhibited traffic of diverse cargo proteins at the ER but they appeared to act via distinct biochemical pathways as biosynthetic traffic in cells expressing either of the N121I mutants could be restored by coexpressing the wild-type form of the same subclass but not the other subclass. The same interaction was observed in transgenic seedlings expressing RAB-D1 [N121I]. Insertional mutants confirmed that the three Arabidopsis Rab-D2 genes were extensively redundant and collectively performed an essential function that could not be provided by RAB-D1, which was non-essential. However, plants lacking RAB-D1, RAB-D2b and RAB-D2c were short and bushy with low fertility, indicating that the Rab-D1 and Rab-D2 subclasses have overlapping functions.

Control of pancreatic β-cell mass and function by gluco-incretin hormones : identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes

Summary : Control of pancreatic ß-cell mass and function by gluco-incretin hormones: Identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes The ß-cells of islets of Langerhans secrete insulin to reduce hyperglycemia. The number of pancreatic islet ß-cells and their capacity to secrete insulin is modulated in normal physiological conditions to respond to the metabolic demand of the organism. A failure of the endocrine pancreas to maintain an adequate insulin secretory capacity due to a reduced ß-cell number and function underlies the pathogenesis of both type 1 and type 2 diabetes. The molecular mechanisms controlling the glucose competence of mature ß-cells, i.e., the magnitude of their insulin secretion response to glucose, ß-cell replication, their differentiation from precursor cells and protection against apoptosis are poorly understood. To investigate these mechanisms, we studied the effects on ß-cells of the gluco-incretin hormones, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) which are secreted by intestinal endocrine cells after food intake. Besides acutely potentiating glucose-stimulated insulin secretion, these hormones induce ß-cell differentiation from precursor cells, stimulate mature ß-cell replication, and protect them against apoptosis. Therefore, understanding the molecular basis for gluco-incretin action may lead to the uncovering of novel ß-cell regulatory events with potential application for the treatment or prevention of diabetes. Islets from mice with inactivation of both GIP and GLP-1 receptor genes (dK0) present a defect in glucose-induced insulin secretion and are more sensitive than control islets to cytokine-induced apoptosis. To search for regulatory genes, that may control both glucose competence and protection against apoptosis, we performed comparative transcriptomic analysis of islets from control and dK0 mice. We found a strong down-regulation of the IGF1 Rexpression in dK0 islets. We demonstrated in both a mouse insulin-secreting cell line and primary islets, that GLP-1 stimulated IGF-1R expression and signaling. Importantly, GLP-1induced IGF-1R-dependent Akt phosphorylation required active secretion, indicating the presence of an autocrine activation mechanism. We further showed that activation of IGF-1R signaling was dependent on the secretion of IGF-2 and IGF-2 expression was regulated by nutrients. Finally, we demonstrated that the IGF-Z/IGF-1R autocrine loop was required for GLP-1 i) to protect ß-cells against cytokine-induced apoptosis, ii) to enhance their glucose competence and iii) to increase ß-cell proliferation. Résumé : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones glucoincrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Les cellules ß des îlots de Langerhans sécrètent l'insuline pour diminuer l'hyperglycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité à sécréter l'insuline sont modulés dans les conditions physiologiques normales pour répondre à la demande métabolique de l'organisme. Un échec du pancréas endocrine à maintenir sa capacité sécrétoire d'insuline dû à une diminution du nombre et de la fonction des cellules ß conduit au diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes moléculaires contrôlant la compétence au glucose des cellules ß matures, tels que, l'augmentation de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose, la réplication des cellules ß, leur différentiation à partir de cellules précurseurs et la protection contre l'apoptose sont encore peu connus. Afin d'examiner ces mécanismes, nous avons étudié les effets sur les cellules ß des hormones gluco-incrétines, glucose-dépendent insulinotropic polypeptide (G1P) et glucagon-like peptide-1 (GLP-1) qui sont sécrétées par les cellules endocrines de l'intestin après la prise alimentaire. En plus de potentialiser la sécrétion d'insuline induite par le glucose, ces hormones induisent la différentiation de cellules ß à partir de cellules précurseurs, stimulent leur prolifération et les protègent contre l'apoptose. Par conséquent, comprendre les mécanismes d'action des gluco-incrétines permettrait de découvrir de nouveaux processus régulant les cellules ß avec d'éventuelles applications dans le traitement ou la prévention du diabète. Les îlots de souris ayant une double inactivation des gènes pour les récepteurs du GIP et du GLP-1 (dK0) présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose induite par les cytokines. Afin de déterminer les gènes régulés, qui pourraient contrôler à la fois la compétence au glucose et la protection contre l'apoptose, nous avons effectué une analyse comparative transcriptomique sur des îlots de souris contrôles et dKO. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression d'IGF-1R dans les îlots dKO. Nous avons démontré, à la fois dans une lignée cellulaire murine sécrétant l'insuline et dans îlots primaires, que le GLP-1 stimulait l'expression d'IGF-1R et sa voie de signalisation. Par ailleurs, la phosphorylation d'Akt dépendante d'IGF1-R induite parle GLP-1 nécessite une sécrétion active, indiquant la présence d'un mécanisme d'activation autocrine. Nous avons ensuite montré que l'activation de la voie de signalisation d'IGF-1R était dépendante de la sécrétion d'IGF-2, dont l'expression est régulée par les nutriments. Finalement, nous avons démontré que la boucle autocrine IGF-2/IGF-1R est nécessaire pour le GLP-1 i) pour protéger les cellules ß contre l'apoptose induite par les cytokines, ii) pour améliorer la compétence au glucose et iii) pour augmenter la prolifération des cellules ß. Résumé tout public : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones gluco-incrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Chez les mammifères, la concentration de glucose sanguine (glycémie) est régulée et maintenue à une valeur relativement constante d'environ 5 mM. Cette régulation est principalement contrôlée par 2 hormones produites par les îlots pancréatiques de Langerhans: l'insuline sécrétée par les cellules ß et le glucagon sécrété par les cellules a. A la suite d'un repas, l'augmentation de la glycémie entraîne la sécrétion d'insuline ce qui permet le stockage du glucose dans le foie, les muscles et le tissu adipeux afin de diminuer le taux de glucose circulant. Lors d'un jeûne, la diminution de la glycémie permet la sécrétion de glucagon favorisant alors la production de glucose par le foie, normalisant ainsi la glycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité sécrétoire s'adaptent aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Une destruction complète ou partielle des cellules ß conduit respectivement au diabète de type 1 et de type 2. Bien que l'augmentation de la glycémie soit le facteur stimulant de la sécrétion d'insuline, des hormones gluco-incrétines, principalement le GLP-1 (glucagon-like peptide-1) et le GIP (glucose-dependent insulinotropic polypeptide) sont libérées par l'intestin en réponse aux nutriments (glucose, acides gras) et agissent au niveau des cellules ß, potentialisant la sécrétion d'insuline induite par le glucose, stimulant leur prolifération, induisant la différentiation de cellules précurseurs en cellules ß matures et les protègent contre la mort cellulaire (apoptose). Afin d'étudier plus en détail ces mécanismes, nous avons généré des souris déficientes pour les récepteurs du GIP et du GLP-l. Les îlots pancréatiques de ces souris présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose par rapport aux îlots de souris contrôles. Nous avons donc cherché les gènes régulés pas ces hormones contrôlant la sécrétion d'insuline et la protection contre l'apoptose. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R) dans les îlots de souris déficientes pour les récepteurs des gluco-incrétines. Nous avons démontré dans un model de cellules ß en culture et d'îlots que le GLP-1 augmentait l'expression d'IGF-1R et la sécrétion de son ligand (IGF-2) permettant l'activation de la voie de signalisation. Finalement, nous avons montré que l'activation de la boucle IGF-2/IGF-1R induite par le GLP-1 était nécessaire pour la protection contre l'apoptose, l'augmentation de la sécrétion et la prolifération des cellules ß.

Molecular mechanism of myosin Va recruitment to dense core secretory granules.

The brain-spliced isoform of Myosin Va (BR-MyoVa) plays an important role in the transport of dense core secretory granules (SGs) to the plasma membrane in hormone and neuropeptide-producing cells. The molecular composition of the protein complex that recruits BR-MyoVa to SGs and regulates its function has not been identified to date. We have identified interaction between SG-associated proteins granuphilin-a/b (Gran-a/b), BR-MyoVa and Rab27a, a member of the Rab family of GTPases. Gran-a/b-BR-MyoVa interaction is direct, involves regions downstream of the Rab27-binding domain, and the C-terminal part of Gran-a determines exon specificity. MyoVa and Gran-a/b are partially colocalised on SGs and disruption of Gran-a/b-BR-MyoVa binding results in a perinuclear accumulation of SGs which augments nutrient-stimulated hormone secretion in pancreatic beta-cells. These results indicate the existence of at least another binding partner of BR-MyoVa that was identified as rabphilin-3A (Rph-3A). BR-MyoVa-Rph-3A interaction is also direct and enhanced when secretion is activated. The BR-MyoVa-Rph-3A and BR-MyoVa-Gran-a/b complexes are linked to a different subset of SGs, and simultaneous inhibition of these complexes nearly completely blocks stimulated hormone release. This study demonstrates that multiple binding partners of BR-MyoVa regulate SG transport, and this molecular mechanism is universally used by neuronal, endocrine and neuroendocrine cells.

Generation of reconstituted human plasma-derived secretory-like IgA and IgM and their protective effect on intestinal epithelium

Les muqueuses sont les membranes tapissant les cavités du corps, tel que le tube digestif, et sont en contact direct avec l'environnement extérieur. Ces surfaces subissent de nombreuses agressions pouvant être provoquées par des agents pathogènes (bactéries, toxines ou virus). Cela étant, les muqueuses sont munies de divers mécanismes de protection dont notamment deux protéines-clés permettant de neutraliser les agents pathogènes : les anticorps ou immunoglobulines sécrétoires A (SIgA) et M (SIgM). Ces anticorps sont, d'une part, fabriqués au niveau de la muqueuse sous forme d'IgA et IgM. Lorsqu'ils sont sécrétés dans l'intestin, ils se lient à une protéine appelée pièce sécrétoire et deviennent ainsi SIgA et SïgM. La présence de la pièce sécrétoire est essentielle pour que les anticorps puissent fonctionner au niveau de la muqueuse. D'autre part, ces anticorps sont également fabriqués dans d'autres parties du corps en général et se retrouvent dans le sang sous forme d'IgA et IgM Chez l'homme, des thérapies basées sur l'injection d'anticorps donnent de bons résultats depuis de nombreuses années notamment dans le traitement des infections. Bien qu'un certain nombre d'études ont montré le rôle protecteur des anticorps de type IgA et IgM, ceux-ci ne sont que rarement utilisés dans les thérapies actuelles. La principale raison de cette faible utilisation réside dans la production ou la purification des IgA/IgM ou SIgA/SIgM (la forme active au niveau des muqueuses) qui est difficile à réaliser à large échelle. Ainsi, le but de la thèse était (1) d'étudier la possibilité d'employer des IgA et des IgM provenant du sang humain pour générer des SIgA et SIgM et (2) de voir si ces anticorps reconstitués pouvaient neutraliser certains agents pathogènes au niveau des muqueuses. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et des IgM issues du sang a été effectuée. Nous avons observé que ces anticorps avaient des caractéristiques similaires aux anticorps naturellement présents au niveau des muqueuses. De plus, nous avons confirmé que ces anticorps pouvaient être associés à une pièce sécrétoire produite en laboratoire pour ainsi donner des SIgA et SIgM reconstituées. Ensuite, la fonctionnalité des anticorps reconstitués a été testée grâce à un modèle de couche unique de cellules intestinales différenciées (monocouches) en laboratoire imitant la paroi de l'intestin. Ces monocouches ont été infectées par une bactérie pathogène, Shigella flexneri, responsable de la shigellose, une maladie qui provoque des diarrhées sanglantes chez l'homme. L'infection des monocouches par les bactéries seules ou combinées aux SIgA et SIgM reconstituées a été analysée. Nous avons observé que les dommages des cellules étaient moins importants lorsque les SIgA étaient présentes. Il apparaît que les SIgA neutralisent les bactéries en se fixant dessus, ce qui provoque leur agrégation, et diminuent l'inflammation des cellules. La protection s'est montrée encore plus efficace avec les SIgM. De plus, nous avons vu que les SIgA et SIgM pouvaient diminuer la sécrétion de facteurs nocifs produits par les bactéries. Utilisant le même modèle des monocouches, la fonctionnalité des IgA issues du sang humain a aussi été testée contre une toxine sécrétée par une bactérie appelée Clostridium diffìcile. Cette bactérie peut être présente naturellement dans l'intestin de personnes saines, cependant elle peut devenir pathogène dans certaines conditions et être à l'origine de diarrhées et d'inflammations de l'intestin via la sécrétion de toxines. Des préparations d'anticorps contenant une certaine proportion de SIgA reconstituées ont amené à une diminution des dommages et de l'inflammation des monocouches causés par la toxine. L'ensemble de ces résultats prometteurs, montrant que des SIgA et SIgM reconstituées peuvent protéger la paroi de l'intestin des infections bactériennes, nous conduisent à approfondir la recherche sur ces anticorps dans des modèles animaux. L'aboutissement de ce type de recherche permettrait de tester, par la suite, l'efficacité sur l'homme de traitements des infections des muqueuses par injection d'anticorps de type SIgA et SIgM reconstituées. Les muqueuses, telle que la muqueuse gastrointestinale, sont des surfaces constamment exposées à l'environnement et leur protection est garantie par une combinaison de barrières mécaniques, physicochimiques et immunologiques. Parmi les divers mécanismes de protection immunologiques, la réponse humorale spécifique joue un rôle prépondérant et est assurée par les immunoglobulines sécrétoires de type A (SIgA) et M (SIgM). Les thérapies basées sur l'administration d'IgG apportent d'importants bénéfices dans le domaine de la santé. Bien que des études sur les animaux aient montré que l'administration par voie muqueuse d'IgA polymérique (plgA) ou SIgA pouvaient protéger des infections, des IgA/SIgA n'ont été utilisées qu'occasionnellement dans les thérapies. De plus, des études précliniques et cliniques ont démontré que l'administration par voie systémique de préparations enrichies en IgM pouvait aussi protéger des infections. Cependant, l'administration par voie muqueuse d'IgM/SIgM purifiées n'a pas été examinée jusqu'à présent. La principale raison est que la purification ou là production des IgA/SIgA et IgM/SIgM est difficile à réaliser à large échelle. Le but de ce travail de thèse était d'examiner la possibilité d'associer des IgA et IgM polyclonals purifiées à partir du plasma humain avec une pièce sécrétoire recombinante humaine afin de générer des SIgA et SIgM reconstituées fonctionnelles. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et IgM issues du plasma humain a été effectuée par buvardage de western et Chromatographie. Ces molécules avaient des caractéristiques biochimiques similaires à celles des immunoglobulines issues de la muqueuse. L'association entre plgA ou IgM issues du plasma humain et la pièce sécrétoire recombinante humaine a été confirmée, ainsi que la stoechiométrie 1:1 de l'association. Comme dans les conditions physiologiques, cette association permettait de retarder la dégradation des SIgA et SIgM reconstituées exposées à des protéases intestinales. Ensuite, la fonctionnalité et le mode d'action des IgA et IgM issues du plasma humain, ainsi que des SIgA et SIgM reconstituées, ont été explorés grâce à un modèle in vitro de monocouches de cellules intestinales épithéliales polarisées de type Caco-2, qui imite l'épithélium intestinal. Les monocouches ont été infectées par un pathogène entérique, Shigella flexneri, seul ou combiné aux immunoglobulines issues du plasma humain ou aux immunoglobulines sécrétoires reconstituées. Bien que les dommages des monocouches aient été retardés par les plgA et SIgA reconstituées, les IgM et SIgM reconstituées se sont montrées supérieures dans le maintien de l'intégrité des cellules. Une agrégation bactérienne et une diminution de l'inflammation des monocouches ont été observées avec les plgA et SIgA reconstituées. Ces effets étaient augmentés avec les IgM et SIgM reconstituées. De plus, il s'est révélé que les deux types d'immunoglobulines de type sécrétoire reconstituées agissaient directement sur la virulence des bactéries en réduisant leur sécrétion de facteurs de virulence. La fonctionnalité des IgA issues du plasma humain a aussi été testée contre la toxine A de Clostridium difficile grâce au même modèle de monocouches de cellules épithéliales. Nous avons démontré que des préparations enrichies en IgA provenant du plasma humain pouvaient diminuer les dommages et l'inflammation des monocouches induits par la toxine. L'ensemble de ces résultats démontrent que des IgA et IgM de type sécrétoire peuvent être générées à partir d'IgA et IgM issues du plasma humain en les associant à la pièce sécrétoire et que ces molécules protègent l'épithélium intestinal contre des bactéries pathogènes. Ces molécules pourraient dès lors être testées dans des modèles in vivo. Le but final serait de les utiliser chez l'homme à des fins d'immunisation passive dans le traitement de pathologies associées à la muqueuse telles que les infections. - Mucosal surfaces, such as gastrointestinal mucosa, are constantly exposed to the external environment and their protection is ensured by a combination of mechanical, physicochemical and immunological barriers. Among the various immunological defense mechanisms, specific humoral mucosal response plays a crucial role and is mediated by secretory immunoglobulins A (SIgA) and M (SIgM). Immunoglobulin therapy based on the administration of IgG molecules leads important health benefits. Even though animal studies have shown that mucosal application of polymeric IgA (plgA) or SIgA provided protection against infections, IgA/SIgA have been only used occasionally for therapeutic application. Moreover, preclinical and clinical studies have demonstrated that systemic administration of IgM-enriched preparations could also afford protection against infections. Nevertheless, mucosal application of purified IgM/SIgM has not been examined. The main reason is that the purification or production of IgA/SIgA and IgM/SIgM at large scale is difficult to achieve. The aim of this PhD project was to examine the possibility to associate polyclonal human plasma-derived IgA and IgM with recombinant human secretory component (SC) to generate functional secretoiy-like IgA and IgM. First, biochemical analysis of human plasma IgA and IgM was performed by western blotting and chromatography. These molecules exhibited the same biochemical features as mucosa-derived antibodies (Abs). The association between human plasma plgA or IgM and recombinant human SC was confirmed, as well as the 1:1 stoichiometry of association. Similarly to physiological conditions, this association delayed the degradation of secretory-like IgA or IgM by intestinal proteases. Secondly, the function activity and the mode of action of human plasma IgA and IgM, as well as secretory-like IgA and IgM were explored using an in vitro model of polarized intestinal epithelial Caco-2 cell monolayers mimicking intestinal epithelium. Cell monolayers were infected with an enteropathogen, Shigella flexneri, alone or in combination to plasma Abs or secretory-like Abs. Even though plasma plgA and secretoiy-like IgA resulted in a delay of bacteria-induced damages of cell monolayers, plasma IgM and secretory-like IgM were shown to be superior in maintenance of cell integrity. Polymeric IgA and secretory-like IgA induced bacterial aggregation and decreased cell monolayer inflammation, effects further amplified with IgM and secretory-like IgM. In addition, both secretory-like Abs directly impacted on bacterial virulence leading to a reduction in secretion of virulence factors by bacteria. The functionality of human plasma IgA was also tested against Clostridium difficile toxin A using Caco-2 cell monolayers. Human plasma IgA- enriched preparations led to a diminution of cell monolayer damages and a decrease of cellular inflammation induced by the toxin. The sum of these results demonstrates that secretory-like IgA and IgM can be generated from purified human plasma IgA and IgM associated to SC and that these molecules are functional to protect intestinal epithelium from bacterial infections. These molecules could be now tested using in vivo models. The final goal would be to use them by passive immunization in the treatment of mucosa-associated pathologies like infections in humans.

Multi-faceted functions of secretory IgA at mucosal surfaces.

Secretory IgA (SIgA) plays an important role in the protection and homeostatic regulation of intestinal, respiratory, and urogenital mucosal epithelia separating the outside environment from the inside of the body. This primary function of SIgA is referred to as immune exclusion, a process that limits the access of numerous microorganisms and mucosal antigens to these thin and vulnerable mucosal barriers. SIgA has been shown to be involved in avoiding opportunistic pathogens to enter and disseminate in the systemic compartment, as well as tightly controlling the necessary symbiotic relationship existing between commensals and the host. Clearance by peristalsis appears thus as one of the numerous mechanisms whereby SIgA fulfills its function at mucosal surfaces. Sampling of antigen-SIgA complexes by microfold (M) cells, intimate contact occurring with Peyer's patch dendritic cells (DC), down-regulation of inflammatory processes, modulation of epithelial, and DC responsiveness are some of the recently identified processes to which the contribution of SIgA has been underscored. This review aims at presenting, with emphasis at the biochemical level, how the molecular complexity of SIgA can serve these multiple and non-redundant modes of action.

Nrf2 links epidermal barrier function with antioxidant defense.

The skin provides an efficient permeability barrier and protects from microbial invasion and oxidative stress. Here, we show that these essential functions are linked through the Nrf2 transcription factor. To test the hypothesis that activation of Nrf2 provides skin protection under stress conditions, we determined the consequences of pharmacological or genetic activation of Nrf2 in keratinocytes. Surprisingly, mice with enhanced Nrf2 activity in keratinocytes developed epidermal thickening, hyperkeratosis and inflammation resembling lamellar ichthyosis. This resulted from upregulation of the cornified envelope proteins small proline-rich proteins (Sprr) 2d and 2h and of secretory leukocyte peptidase inhibitor (Slpi), which we identified as novel Nrf2 targets in keratinocytes. Since Sprrs are potent scavengers of reactive oxygen species and since Slpi has antimicrobial activities, their upregulation contributes to Nrf2's protective function. However, it also caused corneocyte fragility and impaired desquamation, followed by alterations in the epidermal lipid barrier, inflammation and overexpression of mitogens that induced keratinocyte hyperproliferation. These results identify an unexpected role of Nrf2 in epidermal barrier function, which needs to be considered for pharmacological use of Nrf2 activators.

Secretory component delays the conversion of secretory IgA into antigen-binding competent F(ab')2: a possible implication for mucosal defense.

Secretory component (SC) represents the soluble ectodomain of the polymeric Ig receptor, a membrane protein that transports mucosal Abs across epithelial cells. In the protease-rich environment of the intestine, SC is thought to stabilize the associated IgA by unestablished molecular mechanisms. To address this question, we reconstituted SC-IgA complexes in vitro by incubating dimeric IgA (IgAd) with either recombinant human SC (rSC) or SC isolated from human colostral milk (SCm). Both complexes exhibited an identical degree of covalency when exposed to redox agents, peptidyl disulfide isomerase, and temperature changes. In cross-competition experiments, 50% inhibition of binding to IgAd was achieved at approximately 10 nM SC competitor. Western blot analysis of IgAd digested with intestinal washes indicated that the alpha-chain in IgAd was primarily split into a 40-kDa species, a phenomenon delayed in rSC- or SCm-IgAd complexes. In the same assay, either of the SCs was resistant to degradation only if complexed with IgAd. In contrast, the kappa light chain was not digested at all, suggesting that the F(ab')2 region was left intact. Accordingly, IgAd and SC-IgAd digestion products retained functionality as indicated by Ag reactivity in ELISA. Size exclusion chromatography under native conditions of digested IgAd and rSC-IgAd demonstrates that SC exerts its protective role in secretory IgA by delaying cleavage in the hinge/Fc region of the alpha-chain, not by holding together degraded fragments. The function of integral secretory IgA and F(ab')2 is discussed in terms of mucosal immune defenses.

Secretory component: a new role in secretory IgA-mediated immune exclusion in vivo.

Secretory immunoglobulin (Ig) A (SIgA) is essential in protecting mucosal surfaces. It is composed of at least two monomeric IgA molecules, covalently linked through the J chain, and secretory component (SC). We show here that a dimeric/polymeric IgA (IgA(d/p)) is more efficient when bound to SC in protecting mice against bacterial infection of the respiratory tract. We demonstrate that SC ensures, through its carbohydrate residues, the appropriate tissue localization of SIgA by anchoring the antibody to mucus lining the epithelial surface. This in turn impacts the localization and the subsequent clearance of bacteria. Thus, SC is directly involved in the SIgA function in vivo. Therefore, binding of IgA(d/p) to SC during the course of SIgA-mediated mucosal response constitutes a crucial step in achieving efficient protection of the epithelial barrier by immune exclusion.

Cholesterol transport from late endosomes to the Golgi regulates t-SNARE trafficking, assembly, and function

Cholesterol regulates plasma membrane (PM) association and functioning of syntaxin-4 and soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein 23 (SNAP23) in the secretory pathway. However, the molecular mechanism and cellular cholesterol pools that determine the localization and assembly of these target membrane SNAP receptors (t-SNAREs) are largely unknown. We recently demonstrated that high levels of annexin A6 (AnxA6) induce accumulation of cholesterol in late endosomes, thereby reducing cholesterol in the Golgi and PM. This leads to an impaired supply of cholesterol needed for cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) to drive Golgi vesiculation and caveolin transport to the cell surface. Using AnxA6-overexpressing cells as a model for cellular cholesterol imbalance, we identify impaired cholesterol egress from late endosomes and diminution of Golgi cholesterol as correlating with the sequestration of SNAP23/syntaxin-4 in Golgi membranes. Pharmacological accumulation of late endosomal cholesterol and cPLA2 inhibition induces a similar phenotype in control cells with low AnxA6 levels. Ectopic expression of Niemann-Pick C1 (NPC1) or exogenous cholesterol restores the location of SNAP23 and syntaxin-4 within the PM. Importantly, AnxA6-mediated mislocalization of these t-SNAREs correlates with reduced secretion of cargo via the SNAP23/syntaxin-4¿dependent constitutive exocytic pathway. We thus conclude that inhibition of late endosomal export and Golgi cholesterol depletion modulate t-SNARE localization and functioning along the exocytic pathway.

Antigen binding properties of purified immunoglobulin A and reconstituted secretory immunoglobulin A antibodies.

The hybridoma cell line ZAC3 expresses Vibrio cholerae lipopolysaccharide (LPS)-specific mouse IgA molecules as a heterogeneous population of monomeric (IgAm), dimeric (IgAd), and polymeric (IgAp) forms. We describe a gentle method combining ultrafiltration, ion-exchange chromatography, and size exclusion chromatography for the simultaneous and qualitative separation of the three molecular forms. Milligram quantities of purified IgA molecules were recovered allowing for direct comparison of the biological properties of the three forms. LPS binding specificity was tested after purification; IgAd and IgAp were found to bind strongly to LPS whereas IgAm did not. Secretory IgA (sIgA) could be reconstituted in vitro by combining recombinant secretory component (rSC) and purified IgAd or IgAp, but not IgAm. Surface plasmon resonance-based binding experiments using LPS monolayers indicated that purified reconstituted sIgA and IgA molecules recognize LPS with identical affinity (KA 1.0 x 10(8)M-1). Thus, this very sensitive assay provides the first evidence that the function of SC in sIgA complex is not to modify the affinity for the antigen. KA falls to 6.6 x 10(5) M-1 when measured by calorimetry using detergent-solubilized LPS and IgA, suggesting that the LPS environment is critical for recognition by the antibody.