Molecular dissection of Arabidopsis thaliana endodermis development, structure and function

In vascular plants, the endodermis establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature preventing the passive, uncontrolled entry of nutrients absorbed by the plant. It does so by means of a differentiation feature, the "Casparian Strip" (CS), a highly localized cell wall impregnation made of lignin, which seals the extracellular space. Although the existence of this differentiation feature has been intensively described, the mechanisms establishing this hallmark remain obscure. In this work I report, the developmental sequence of events that leads to a differentiated endodermis, in the plant model Arabidopsis thaliana. In addition, my descriptive approach gave important insights as to how these cells define membrane domains involved in the directional transport of nutrients. I also participated in characterizing a new transmembrane protein family, the CASPs, localized to the membrane domain underlying the CS, which we accordingly named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). Our molecular analysis indicates that these proteins drive CS establishment. To identify more molecular factors of CS establishment, I performed a forward genetic screen. This screen led to the identification of 11 endodermis permissive mutants, which we named schengen (sgn) mutants. The causative mutations have been mapped to 5 independent loci: SGN1 to SGN5. SGN1 and SGN3 encode Receptor Like Kinases involved in the correct establishment of the CSD. A lack of those kinases leads to an incomplete CSD, which gives rise to interrupted CS barriers. Interestingly, SGN1 seems to also regulate CSD positioning to the middle of endodermal transversal walls. SGN4 encodes an NADPH oxidase involved in lignin polymerization essential for CS formation. The sgn5 mutant induces extra divisions of cortical cells strongly affecting the cell identity, but also leading to incorrect differentiation. A thorough characterization of the sgn2 mutant will follow elsewhere, yet preliminary results indicate that SGN2 encodes an Acyl-CoA N-acyltransferase. . In summary, with my work I have contributed a first set of molecular players of Casparian strip formation and initiated their characterization. Eventually, this might lead to an understanding of the molecular mechanisms of CS establishment in A.thaliana . This in turn will hopefully help to better understand nutrient uptake in higher plants and their response to environmental stresses. - Au sein des plantes vasculaires, l'endoderme représente un tissu protecteur mettant en place une barrière imperméable, empêchant n'importe quel élément de rejoindre les tissus conducteurs par simple diffusion. Cette barrière, appelée « Cadre de Caspary », correspond à une lignification de la paroi de l'endoderme et donne lieu à un cloisonnement de l'espace intercellulaire. Bien que cet élément de différenciation soit décrit en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements aboutissant à l'établissement du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. De plus, ce travail apporte de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent des domaines membranaires importants pour le transport des nutriments. Nous décrivons une nouvelle famille de protéines membranaires, les CASPs (« CAparian Strip membrane domain Proteins »), localisées dans un domaine membranaire longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). L'analyse moléculaire des CASPs indique qu'elles dirigent la formation du cadre de Caspary. Par ailleurs, une approche génétique directe nous a permis d'identifier 11 mutants ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants Schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) qui participent à la délimitation du CSD. L'absence de ces kinases aboutit à un domaine CSD incomplet, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. De plus, SGN1 semble réguler le positionnement du CSD au milieu de la paroi transversale de l'endoderme. SGN4 produit une enzyme de type NADPH oxydase impliquée dans la polymérisation du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une division anormale des cellules du cortex créant ainsi une nouvelle couche cellulaire incapable d'achever sa différenciation en endoderme. Quant à la mutation sgn2, bien que nous pensons qu'elle affecte une Acyl-CoA N-acyltransferase, sa caractérisation ne sera réalisée que prochainement. Au final, ce travail procure de nouveaux éléments sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importants afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles. - De par leur immobilité, les plantes terrestres n'ont pas d'autre choix que de puiser leurs ressources dans leur environnement direct. La plante extrait du sol les nutriments qui lui sont nécessaires et les redistribue grâce à des tissus conducteurs. Afin de ne pas s'intoxiquer, il est donc essentiel de pouvoir sélectionner les éléments entrant dans la racine. Etonnement, ce n'est pas la surface des racines qui permet ce contrôle mais un tissu interne appelé endoderme. Ce dernier forme une barrière imperméable qui entoure chaque cellule et crée une jointure permettant de bloquer le passage des éléments entre les cellules. Cette structure, appelée « cadre de Caspary », oblige les éléments à entrer dans les cellules de l'endoderme et à être ainsi sélectionnés. Bien que cette structure soit décrite en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements qui aboutit à la formation du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce travail apporte également de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent, organisent et dirigent le transport des nutriments. Nous décrivons comment certains éléments de la cellule, les protéines CASPs (CAsparian Strip membrane domain Proteins), sont organisées un domaine particulier des membranes afin de créer une plateforme de construction longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). Afin de déterminer ce qu'il se passerait si une plante ne possédait pas de cadre de Caspary, nous avons réalisé une mutagénèse, ou approche génétique directe, et identifié 11 mutants (individu ayant un gène défectueux conduisant à la perte d'une fonction) ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. Les gènes SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) servant à l'établissement de la plateforme de construction. L'absence de ces kinases aboutit à une base incomplète, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. Qui plus est, la kinase SGN1 semble réguler le positionnement de la plateforme au milieu de l'endoderme. Le gène SGN4 est par contre, impliqué dans la construction à proprement dite du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une nouvelle couche de cellules ressemblant à de l'endoderme mais incapable de former correctement une barrière identique au cadre de Caspary. Quant au dernier mutant, sgn2, bien que cette étude fournisse des indices permettant de comprendre pourquoi le mutant sgn2 est défectueux, nous n'expliquerons ce cas que prochainement. En résumé, ce travail procure de nouvelles connaissances sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importantes afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles.

Decreased STAMP2 expression in association with visceral adipose tissue dysfunction.

CONTEXT Six-transmembrane protein of prostate 2 (STAMP2) is a counter-regulator of inflammation and insulin resistance according to findings in mice. However, there have been contradictory reports in humans. OBJECTIVE We aimed to explore STAMP2 in association with inflammatory and metabolic status of human obesity. DESIGN, PATIENTS, AND METHODS STAMP2 gene expression was analyzed in adipose tissue samples (171 visceral and 67 sc depots) and during human preadipocyte differentiation. Human adipocytes were treated with macrophage-conditioned medium, TNF-α, and rosiglitazone. RESULTS In visceral adipose tissue, STAMP2 gene expression was significantly decreased in obese subjects, mainly in obese subjects with type 2 diabetes. STAMP2 gene expression and protein were significantly and inversely associated with obesity phenotype measures (body mass index, waist, hip, and fat mass) and obesity-associated metabolic disturbances (systolic blood pressure and fasting glucose). In addition, STAMP2 gene expression was positively associated with lipogenic (FASN, ACC1, SREBP1, THRSP14, TRα, and TRα1), CAV1, IRS1, GLUT4, and CD206 gene expression. In sc adipose tissue, STAMP2 gene expression was not associated with metabolic parameters. In both fat depots, STAMP2 gene expression in stromovascular cells was significantly higher than in mature adipocytes. STAMP2 gene expression was significantly increased during the differentiation process in parallel to adipogenic genes, being increased in preadipocytes derived from lean subjects. Macrophage-conditioned medium (25%) and TNF-α (100 ng/ml) administration increased whereas rosiglitazone (2 μM) decreased significantly STAMP2 gene expression in human differentiated adipocytes. CONCLUSIONS Decreased STAMP2 expression (mRNA and protein) might reflect visceral adipose dysfunction in subjects with obesity and type 2 diabetes.

Antiviral activity of a small-molecule inhibitor of arenavirus glycoprotein processing by the cellular site 1 protease.

Arenaviruses merit interest as clinically important human pathogens and include several causative agents, chiefly Lassa virus (LASV), of hemorrhagic fever disease in humans. There are no licensed LASV vaccines, and current antiarenavirus therapy is limited to the use of ribavirin, which is only partially effective and is associated with significant side effects. The arenavirus glycoprotein (GP) precursor GPC is processed by the cellular site 1 protease (S1P) to generate the peripheral virion attachment protein GP1 and the fusion-active transmembrane protein GP2, which is critical for production of infectious progeny and virus propagation. Therefore, S1P-mediated processing of arenavirus GPC is a promising target for therapeutic intervention. To this end, we have evaluated the antiarenaviral activity of PF-429242, a recently described small-molecule inhibitor of S1P. PF-429242 efficiently prevented the processing of GPC from the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) and LASV, which correlated with the compound's potent antiviral activity against LCMV and LASV in cultured cells. In contrast, a recombinant LCMV expressing a GPC whose processing into GP1 and GP2 was mediated by furin, instead of S1P, was highly resistant to PF-429242 treatment. PF-429242 did not affect virus RNA replication or budding but had a modest effect on virus cell entry, indicating that the antiarenaviral activity of PF-429242 was mostly related to its ability to inhibit S1P-mediated processing of arenavirus GPC. Our findings support the feasibility of using small-molecule inhibitors of S1P-mediated processing of arenavirus GPC as a novel antiviral strategy.

Neutrophils and TNF: two key players in the immune response induced by "Leishmania major" infection

Summary Resolution of the inflammation is as important as its induction. In this thesis, we investigated the contributions of two prominent factors involved in inflammation, Tumour Necrosis Factor (TNF) and neutrophils. We studied their role in the resolution óf the inflammatory lesion induced by the infection with the protozoan parasite Leishmania major. In mice susceptible to infection with L. major, unhealing lesions are characterized by an elevated number and sustained presence of inflammatory neutrophils in the infected tissue, illustrating an acute inflammatory process. In contrast, mice from resistant strains, which resolve their lesions, can control the presence of neutrophils at the site of infection. Neutrophil persistence in the infected tissue may result from several events including an increased survival of neutrophils mediated by factors produced by the pathogen or the microenvironment. Following infection with L. major, the cellular composition of the inflammatory lesion differs significantly between susceptible and resistant mice and a higher proportion of macrophages is present in the lesions of resistant strains. In an attempt to clarify the factors involved in neutrophil persistence, we investigated the mechanisms modulating neutrophil cell death. We demonstrated that macrophages could induce neutrophil apoptosis in a process involving TNF. TNF is an essential cytokine with pro- and anti-inflammatory properties, which is expressed as a transmembrane protein that can be cleaved releasing the secreted form. Our data show the essential role of the transmembrane form of TNF (mTNF) in the induction of neutrophil apoptosis by macrophages, revealing macrophages and mTNF as important regulators of neutrophil apoptosis. TNF is critical in the resolution of the inflammatory lesion induced by L. major infection, and in L. major resistant strains its absence results in increased swelling of the lesions. We investigated the contribution of mTNF in the outcome of L. major infection. Our data demonstrate that following infection with L. major, mTNF is sufficient to support the resolution of the inflammatory lesion and optimal parasite killing. In addition, we show that the presence of mTNF is essential to induce neutrophil clearance in the infected tissue. While the persistence of neutrophils is deleterious for the host, we could demonstrate an early anti-inflammatory role of neutrophils. Altogether, this study demonstrates the importance of mTNF in the induction of neutrophil apoptosis, a process involved in the resolution of the inflammatory lesion induced by L. major infection. Résumé La résolution de l'inflammation est toute aussi importante que son initiation. Durant ce travail de thèse, nous avons étudié les contributions de deux facteurs importants impliqués dans l'inflammation, le TNF (Facteur Nécrosant des Tumeurs) et les neutrophiles, dans la résolution de la lésion inflammatoire induite par l'infection avec le parasite protozoaire Leishmania major. Chez les souris sensibles à l'infection avec L. major, des lésions importantes qui ne guérissent pas se développent ; celles-ci sont caractérisées par un nombre élevé et une présence soutenue de neutrophiles dans les tissus infectés, ce qui illustre un processus inflammatoire aigu. Au contraire, les souris résistantes à l'infection qui guérissent leurs lésions, sont capables de contrôler la présence des neutrophiles au site d'infection. La persistance des neutrophiles dans la lésion inflammatoire peut être la conséquence de plusieurs événements, dont une augmentation de la survie des neutrophiles induite par des facteurs produits par le pathogène ou le micro-environnement. Suite à l'infection avec L. major, la composition cellulaire de la lésion inflammatoire est significativement différente entre les souris sensibles et résistantes à l'infection, et une plus grande proportion de macrophages est présente dans les lésions des souris résistantes. Dans l'objectif de clarifier les facteurs impliqués dans la persistance des neutrophiles dans les tissus infectés par L. major, nous avons étudié les mécanismes de régulation de la mort des neutrophiles. Nous avons démontré que les macrophages pouvaient induire l'apoptose des neutrophiles dans un procédé impliquant le TNF. Le TNF est une cytokine aux propriétés pro- et anti-inflammatoires, exprimée sous une forme transmembranaire qui peut être clivée pour relâcher la forme sécrétée. Nos expériences illustrent le rôle essentiel de la forme transmembranaire du TNF (mTNF) dans l'induction de l'apoptose des neutrophiles par les macrophages. Lé TNF est une cytokine importante dans la résolution de la réaction inflammatoire induite par L. major, et chez les souris résistantes l'absence de TNF provoque des lésions inflammatoires plus importantes. Nous avons étudié la contribution du mTNF dans la résolution de l'infection avec L. major. Nos résultats démontrent que suite à une infection avec le parasite, la présence du mTNF est suffisante pour guérir la lésion inflammatoire et contrôler efficacement la réplication du parasite. De plus, le mTNF joue un rôle essentiel dans l'élimination des neutrophiles du tissu infecté. Alors que la persistance des neutrophiles est nocive pour l'hôte, nous avons montré que les neutrophiles avaient un rôle précoce anti-inflammatoire. En résumé, cette étude révèle l'importance du mTNF dans l'induction de l'apoptose des neutrophiles par les macrophages, un procédé impliqué dans la résolution de la lésion inflammatoire induite par l'infection avec L. major.

HER2 shedding and serum HER2 extracellular domain: Biology and clinical utility in breast cancer.

The transmembrane protein HER2 is over-expressed in approximately 15% of invasive breast cancers as a result of HER2 gene amplification. HER2 proteolytic cleavage (HER2 shedding) generates soluble truncated HER2 molecules that include only the extracellular domain and the concentration of which can be measured in the serum fraction of blood. HER2 shedding also generates a constitutively active truncated intracellular receptor of 95kDa (p95(HER2)). Another soluble truncated HER2 protein (Herstatin), which can also be found in serum, is the product of an alternatively spliced HER2 transcript. Recent preclinical findings may provide crucial insights into the biological and clinical relevance of increased sHER2 concentrations for the outcome of HER2-positive breast cancer and sensitivity to trastuzumab and lapatinib treatment. We present here the most recent findings about the role and biology of sHER2 based on data obtained using a standardized test, which has been cleared by FDA in 2000, for measuring sHER2. This test includes quality control assessments and has been already widely used to evaluate the clinical utility of sHER2 as a biomarker in breast cancer. We will describe in detail data concerning the assessment of sHER2 as a surrogate maker to optimize the evaluation of the HER2 status of a primary tumor and as a prognosis and predictive marker of response to therapies, both in early and metastatic breast cancer.

Nanoscale electrical conductivity of the purple membrane monolayer

Nanoscale electron transport through the purple membrane monolayer, a two-dimensional crystal lattice of the transmembrane protein bacteriorhodopsin, is studied by conductive atomic force microscopy. We demonstrate that the purple membrane exhibits nonresonant tunneling transport, with two characteristic tunneling regimes depending on the applied voltage (direct and Fowler-Nordheim). Our results show that the purple membrane can carry significant current density at the nanometer scale, several orders of magnitude larger than previously estimated by macroscale measurements.

Intracellular ubiquitylation of the epithelial Na+ channel controls extracellular proteolytic channel activation via conformational change.

The epithelial Na(+) channel ENaC is a key player in the maintenance of whole body Na(+) balance, and consequently of blood pressure. It is tightly regulated by numerous signaling pathways including ubiquitylation via the ubiquitin-protein ligase Nedd4-2. This mechanism is itself under the control of several kinases, which phosphorylate Nedd4-2, thereby interfering with ENaC/Nedd4-2 interaction, or by Usp2-45, which binds to and deubiquitylates ENaC. Another, different regulatory mechanism concerns the proteolytic activation of ENaC, during which the channel is cleaved on its luminal side by intracellular convertases such as furin, and further activated by extracellular proteases such as CAP-1. This process is regulated as well but the underlying mechanisms are not understood. Previously, evidence was provided that the ubiquitylation status of ENaC may affect the cleavage of the channel. When ubiquitylation of ENaC was reduced, either by co-expressing Usp2-45, or mutating either the ENaC PY-motifs (i.e. the binding sites for Nedd4-2) or intracellular lysines (i.e. ubiquitylation sites), the level of channel cleavage was increased. Here we demonstrate that lysine-mutated ENaC channels are not ubiquitylated at the cell surface, are preferentially cleaved, and Usp2-45 does not affect their cleavage efficiency. We further show by limited proteolysis that the intracellular ubiquitylation status of ENaC affects the extracellular conformation of αENaC, by demonstrating that non-ubiquitylated channels are more efficiently cleaved when treated with extracellularly added trypsin or chymotrypsin. These results present a new paradigm in which an intracellular, post-translational modification (e.g. ubiquitylation) of a transmembrane protein can affect its extracellular conformation.

Genetic evidence for a role of adiponutrin in the metabolism of apolipoprotein B-containing lipoproteins.

Adiponutrin (PNPLA3) is a predominantly liver-expressed transmembrane protein with phospholipase activity that is regulated by fasting and feeding. Recent genome-wide association studies identified PNPLA3 to be associated with hepatic fat content and liver function, thus pointing to a possible involvement in the hepatic lipoprotein metabolism. The aim of this study was to examine the association between two common variants in the adiponutrin gene and parameters of lipoprotein metabolism in 23,274 participants from eight independent West-Eurasian study populations including six population-based studies [Bruneck (n = 800), KORA S3/F3 (n = 1644), KORA S4/F4 (n = 1814), CoLaus (n = 5435), SHIP (n = 4012), Rotterdam (n = 5967)], the SAPHIR Study as a healthy working population (n = 1738) and the Utah Obesity Case-Control Study including a group of 1037 severely obese individuals (average BMI 46 kg/m2) and 827 controls from the same geographical region of Utah. We observed a strong additive association of a common non-synonymous variant within adiponutrin (rs738409) with age-, gender-, and alanine-aminotransferase-adjusted lipoprotein concentrations: each copy of the minor allele decreased levels of total cholesterol on average by 2.43 mg/dl (P = 8.87 x 10(-7)), non-HDL cholesterol levels by 2.35 mg/dl (P = 2.27 x 10(-6)) and LDL cholesterol levels by 1.48 mg/dl (P = 7.99 x 10(-4)). These associations remained significant after correction for multiple testing. We did not observe clear evidence for associations with HDL cholesterol or triglyceride concentrations. In conclusion, our study suggests that adiponutrin is involved in the metabolism of apoB-containing lipoproteins.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

The biology of cancer stem cells : part 1: nuclear translocation of CD44 : part 2: IMP2 in glioblastoma cancer stem cells

SummaryCancer stem cells (CSC) are poorly differentiated, slowly proliferating cells, with high tumorigenic potential. Some of these cells, as it has been shown in leukemia, evade chemo- and radiotherapy and recapitulate the tumor composed of CSC and their highly proliferative progeny. Therefore, understanding the molecular biology of those cells is crucial for improvement of currently used anti-cancer therapies.This work is composed of two CSC-related projects. The first deals with CD44, a frequently used marker of CSC; the second involves Imp2 and its role in CSC bioenergetics. PART 1. CD44 is a multifunctional transmembrane protein involved in migration, homing, adhesion, proliferation and survival. It is overexpressed in many cancers and its levels are correlated with poor prognosis. CD44 is also highly expressed by CSC and in many malignancies it is used for CSC isolation.In the present work full-lenght CD44 nuclear localization was studied, including the mechanism of nuclear translocation and its functional role in the nucleus. Full-length CD44 can be found in nuclei of various cell types, regardless of their tumorigenic potential. For nuclear localization, CD44 needs to be first inserted into the cell membrane, from which it is transported via the endocytic pathway. Upon binding to transportinl it is translocated to the nucleus. The nuclear localization signal recognized by transportinl has been determined as the first 20 amino acids of the membrane proximal intracellular domain. Nuclear export of CD44 is facilitated by exportin Crml. Investigation of the function of nuclear CD44 revealed its implication in de novo RNA synthesis.PART 2. Glioblastoma multiforme is the most aggressive and most frequent brain malignancy. It was one of the first solid tumors from which CSC have been isolated. Based on the similarity between GBM CSC and normal stem cells expression of an oncofetal mRNA binding protein Imp2 has been investigated.Imp2 is absent in normal brain as well as in low grade gliomas, but is expressed in over 75% GBM cases and its expression is higher in CSC compared to their more differentiated counterparts. Analysis of mRNA transcripts bound by Imp2 and its protein interactors revealed that in GBM CSC Imp2 may be implicated in mitochondrial metabolism. Indeed, shRNA mediated silencing of protein expression led to decreased mitochondrial activity, decreased oxygen consumption and decreased activity of respiratory chain protein complex I. Moreover, lack of Imp2 severely affected self-renewal and tumorigenicity of GBM CSC. Experimental evidence suggest that GBM CSC depend on mitochondrial oxidative phosphorylation as an energy producing pathway and that Imp2 is a novel regulator of this pathway.RésuméLes cellules cancéreuses souches sont des cellules peu différentiées, à proliferation lente et hautement tumorigénique. Ces cellules sont radio-chimio résistantes et sont capable reformer la tumeur dans sont intégralité, reproduisant l'hétérogénéité cellulaire présent dans la tumeur d'origine. Pour améliorer les therapies antitumorales actuelles il est crucial de comprendre les mécanismes moléculaires qui caractérisent cette sous-population de cellules hautement malignes.Ce travail de thèse se compose de deux projets s'articulant autour du même axe :Le CD44 est une protéine multifonctionnelle et transmembranaire très souvent utilisée comme marqueur de cellules souches tumorales dans différents cancers. Elle est impliquée dans la migration, l'adhésion, la prolifération et la survie des cellules. Lors de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à la localisation cellulaire du CD44, ainsi qu'aux mécanismes permettant sa translocation nucléaire. En effet, bien que principalement décrit comme un récepteur de surface transmembranaire, le CD44 sous sa forme entière, non clivée en peptides, peut également être observé à l'intérieur du noyau de diverses cellules, quel que soit leur potentiel tumorigénique. Pour passer ainsi d'un compartiment cellulaire à un autre, le CD44 doit d'abord être inséré dans la membrane plasmique, d'où il est transporté par endocytose jusqu'à l'intérieur du cytoplasme. La transportai permet ensuite la translocation nucléaire du CD44 via une « séquence signal » contenue dans les 20 acides aminés du domaine cytoplasmique qui bordent la membrane. A l'inverse, le CD44 est exporté du noyau grâce à l'exportin Crml. En plus des mécanismes décrits ci-dessus, cette étude a également mis en évidence l'implication du CD44 dans la synthèse des ARN, d'où sa présence dans le noyau.Le glioblastome est la plus maligne et la plus fréquente des tumeurs cérébrales. Dans ce second projet de recherche, le rôle de IMP2 dans les cellules souches tumorales de glioblastomes a été étudié. La présence de cette protéine oncofoetale a d'abord été mise en évidence dans 75% des cas les plus agressifs des gliomes (grade IV, appelés glioblastomes), tandis qu'elle n'est pas exprimée dans les grades I à III de ces tumeurs, ni dans le cerveau sain. De plus, IMP2 est apparue comme étant davantage exprimée dans les cellules souches tumorales que dans les cellules déjà différenciées. La baisse de l'expression de IMP2 au moyen de shRNA a résulté en une diminution de l'activité mitochondriale, en une réduction de la consommation d'oxygène ainsi qu'en une baisse de l'activité du complexe respiratoire I.L'inhibition de IMP2 a également affecté la capacité de renouvellement de la population des cellules souches tumorales ainsi que leur aptitude à former des tumeurs.Lors de ce travail de thèse, une nouvelle fonction d'un marqueur de cellules souches tumorales a été mise en évidence, ainsi qu'un lien important entre la bioénergétique de ces cellules et l'expression d'une protéine oncofoetale.

Ligands for pheromone-sensing neurons are not conformationally activated odorant binding proteins.

Pheromones form an essential chemical language of intraspecific communication in many animals. How olfactory systems recognize pheromonal signals with both sensitivity and specificity is not well understood. An important in vivo paradigm for this process is the detection mechanism of the sex pheromone (Z)-11-octadecenyl acetate (cis-vaccenyl acetate [cVA]) in Drosophila melanogaster. cVA-evoked neuronal activation requires a secreted odorant binding protein, LUSH, the CD36-related transmembrane protein SNMP, and the odorant receptor OR67d. Crystallographic analysis has revealed that cVA-bound LUSH is conformationally distinct from apo (unliganded) LUSH. Recombinantly expressed mutant versions of LUSH predicted to enhance or diminish these structural changes produce corresponding alterations in spontaneous and/or cVA-evoked activity when infused into olfactory sensilla, leading to a model in which the ligand for pheromone receptors is not free cVA, but LUSH that is "conformationally activated" upon cVA binding. Here we present evidence that contradicts this model. First, we demonstrate that the same LUSH mutants expressed transgenically affect neither basal nor pheromone-evoked activity. Second, we compare the structures of apo LUSH, cVA/LUSH, and complexes of LUSH with non-pheromonal ligands and find no conformational property of cVA/LUSH that can explain its proposed unique activated state. Finally, we show that high concentrations of cVA can induce neuronal activity in the absence of LUSH, but not SNMP or OR67d. Our findings are not consistent with the model that the cVA/LUSH complex acts as the pheromone ligand, and suggest that pheromone molecules alone directly activate neuronal receptors.

Immunotherapeutic targeting of LIGHT/LTβR/HVEM pathway fully recapitulates the reduced cytotoxic phenotype of LIGHT-deficient T cells.

Tumor necrosis factor (TNF)/TNF receptor (TNFR) superfamily members play essential roles in the development of the different phases of the immune response. Mouse LIGHT (TNFSF14) is a type II transmembrane protein with a C-terminus extracellular TNF homology domain (THD) that assembles in homotrimers and regulates the course of the immune responses by signaling through 2 receptors, the herpes virus entry mediator (HVEM, TNFSFR14) and the lymphotoxin β receptor (LTβR, TNFSFR3). LIGHT is a membrane-bound protein transiently expressed on activated T cells, natural killer (NK) cells and immature dendritic cells that can be proteolytically cleaved by a metalloprotease and released to the extracellular milieu. The immunotherapeutic potential of LIGHT blockade was evaluated in vivo. Administration of an antagonist of LIGHT interaction with its receptors attenuated the course of graft-versus-host reaction and recapitulated the reduced cytotoxic activity of LIGHT-deficient T cells adoptively transferred into non-irradiated semiallogeneic recipients. The lack of LIGHT expression on donor T cells or blockade of LIGHT interaction with its receptors slowed down the rate of T cell proliferation and decreased the frequency of precursor alloreactive T cells, retarding T cell differentiation toward effector T cells. The blockade of LIGHT/LTβR/HVEM pathway was associated with delayed downregulation of interleukin-7Rα and delayed upregulation of inducible costimulatory molecule expression on donor alloreactive CD8 T cells that are typical features of impaired T cell differentiation. These results expose the relevance of LIGHT/LTβR/HVEM interaction for the potential therapeutic control of the allogeneic immune responses mediated by alloreactive CD8 T cells that can contribute to prolong allograft survival.

The effects of mutated cationic amino acid transporter y+LAT1 at the cellular and systemic level

y+LAT1 is a transmembrane protein that, together with the 4F2hc cell surface antigen, forms a transporter for cationic amino acids in the basolateral plasma membrane of epithelial cells. It is mainly expressed in the kidney and small intestine, and to a lesser extent in other tissues, such as the placenta and immunoactive cells. Mutations in y+LAT1 lead to a defect of the y+LAT1/4F2hc transporter, which impairs intestinal absorbance and renal reabsorbance of lysine, arginine and ornithine, causing lysinuric protein intolerance (LPI), a rare, recessively inherited aminoaciduria with severe multi-organ complications. This thesis examines the consequences of the LPI-causing mutations on two levels, the transporter structure and the Finnish patients’ gene expression profiles. Using fluorescence resonance energy transfer (FRET) confocal microscopy, optimised for this work, the subunit dimerisation was discovered to be a primary phenomenon occurring regardless of mutations in y+LAT1. In flow cytometric and confocal microscopic FRET analyses, the y+LAT1 molecules exhibit a strong tendency for homodimerisation both in the presence and absence of 4F2hc, suggesting a heterotetramer for the transporter’s functional form. Gene expression analysis of the Finnish patients, clinically variable but homogenic for the LPI-causing mutation in SLC7A7, revealed 926 differentially-expressed genes and a disturbance of the amino acid homeostasis affecting several transporters. However, despite the expression changes in individual patients, no overall compensatory effect of y+LAT2, the sister y+L transporter, was detected. The functional annotations of the altered genes included biological processes such as inflammatory response, immune system processes and apoptosis, indicating a strong immunological involvement for LPI.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

Analyse fonctionnelle de la polycystine-1 et de son domaine intracellulaire dans le développement de la polykystose rénale autosomique dominante

La polykystose rénale autosomique dominante (PKRAD) est la maladie génétique rénale la plus commune touchant 1/500 personnes. Elle se caractérise principalement par la formation de kystes rénaux dans tous les segments du néphron, entraînant l’insuffisance rénale, et par des manifestations extrarénales kystiques (foie, pancréas, rate) et non-kystiques (anomalies cardiaques, vasculaires et cérébrales). Deux gènes, PKD1 et PKD2, sont responsables de 85 et 15% des cas respectivement. Ces gènes encodent les polycystine-1 (PC-1) et -2 (PC-2) qui forment un complexe à la membrane plasmique et ciliaire des cellules épithéliales rénales. PC-1 est une protéine transmembranaire de 4302 acides aminés possédant un court domaine intracellulaire incluant un motif coiled-coil impliqué dans l’interaction entre PC-1 et PC-2 in-vitro. L’importance du coiled-coil est démontrée par des mutations affectant spécifiquement ce motif chez des patients PKRAD. Le mécanisme pathogénétique responsable de la PKRAD est indéterminé. Chez la souris, la PKRAD se développe suite à l’ablation (Pkd1-/-) ou lors de la surexpression (SBPkd1TAG) de Pkd1, ce qui suggère un effet de dosage. Des anomalies ciliaires sont aussi souvent associées à PKRAD. Mon objectif était de déterminer in-vivo le mécanisme pathogénétique de la polycystine-1 dans le développement des symptômes PKRAD rénaux et extrarénaux et plus spécifiquement, le rôle du motif coiled-coil dans le mécanisme de kystogenèse. Pour ce faire, nous avons généré deux constructions, Pkd1 sauvage (Pkd1TAG) et Pkd1 tronquée de son motif coiled-coil (Pkd1ΔCoiled-coil), par recombinaison homologue à partir du BAC-Pkd1 sauvage comprenant la séquence murine entière de Pkd1. Trois lignées de souris Pkd1TAG générées par microinjection démontrent un niveau d’expression de Pkd1 qui corrèle avec le nombre de copie du transgène (2, 5 et 15 copies). Les souris Pkd1TAG reproduisent la PKRAD en développant des kystes rénaux dans toutes les parties du néphron et des cils primaires plus longs que les contrôles non transgéniques. Les analyses physiologiques supportent que les souris Pkd1TAG développent une insuffisance rénale et démontrent une augmentation du volume urinaire de même qu’une diminution de l’osmolalité, de la créatinine et des protéines urinaires. De plus, les souris Pkd1TAG développent des kystes hépatiques, des anomalies cardiaques associées à des dépôts de calcium et des anévrismes cérébraux. La sévérité du phénotype augmente avec l’expression de Pkd1 appuyant l’hypothèse d’un mécanisme de dosage. Nous avons aussi déterminé que l’expression du transgène Pkd1TAG complémente le phénotype létal-embryonnaire des souris Pkd1-/-. D’autre part, nous avons générés 4 lignées de souris Pkd1ΔCoiled-coil (2 et 15 copies du transgène) dont le nombre de copies corrèle avec le niveau d’expression du transgène. Ces souris Pkd1ΔCoiled-coil, contrairement aux Pkd1TAG de même âge, ne développent pas de kystes et possèdent des cils primaires de longueur normale. Afin d’évaluer le rôle du motif coiled-coil en absence de polycystine-1 endogène, nous avons croisé les souris Pkd1ΔCoiled-coil avec les souris Pkd1-/-. Contrairement aux souris Pkd1-/- qui meurent in-utéro, les souris Pkd1ΔCoiled-coil; Pkd1-/- survivent ~10 à 14 jours après la naissance. Elles démontrent des kystes rénaux et pancréatiques sévères, un retard de croissance et des anomalies pulmonaires. Tous les segments du néphron sont affectés. Mon projet démontre que la surexpression de Pkd1 est un mécanisme pathogénique de la PKRAD tant au niveau rénal qu’extrarénal. De plus, il démontre que le motif coiled-coil est un élément déterminant dans la kystogenèse/PKRAD in-vivo.