Rpe65-Gene Transfer Using an Integration-Deficient Lentiviral Vector

Purpose: We previously demonstrated efficient retinal rescue of RPE65 mouse models (Rpe65-/- (Bemelmans et al, 2006) and Rpe65R91W/R91W mice) using a HIV1-derived lentiviral vector encoding for the mouse RPE65 cDNA. In order to optimize a lentiviral vector as an alternative tool for RPE65-derived Leber Congenital Amaurosis clinical trials, we evaluated the efficiency of an integration-deficient lentiviral vector (IDLV) encoding the human RPE65 cDNA to restore retinal function in the Rpe65R91W/R91W mice. Methods: An HIV-1-derived lentiviral vector expressing either the hrGFPII or the human Rpe65 cDNA under the control of a 0.8 kb fragment of the human Rpe65 promoter (R0.8) was produced by transient transfection of 293T cells. A LQ-integrase mutant was used to generate the IDLV vectors. IDLV-R0.8-hRPE65 or hrGFPII were injected subretinally into 1 month-old Rpe65R91W/R91W mice. Functional rescue was assessed by ERG (1 and 3 months post-injection) and cone survival by immunohistology. Results: An increased light sensitivity was detected by scotopic ERG in animals injected with IDLV-R0.8-hRPE65 compared to hrGFPII-treated animals or untreated mice. However the improvement was delayed compared to integration-proficient LV and observed at 3 months but not 1 month post-injection. Immunolabelling of cone markers showed an increased number of cones in the transduced area compared to control groups. Conclusions: The IDLV-R0.8-hRPE65 vectors allow retinal improvement in the Rpe65R91W/R91W mice. Both rod function and cone survival were demonstrated even if there is a delay in the rescue as assessed by scotopic ERG. Integration-deficient vectors minimize insertional mutagenesis and thus are safer candidates for human application. Further experiments using large animals are now needed to validate correct gene transfer and expression of the RPE65 gene as well as tolerance of the vector after subretinal injection before envisaging a clinical trial application.

Characterization of GLUT8 and GLUT9, two novel glucose transporter isoforms

Summary Prevalence of type 2 diabetes is increasing worldwide at alarming rates, probably secondarily to that of obesity. As type 2 diabetes is characterized by blood hyperglycemia, controlling glucose entry into tissues from the bloodstream is key to maintain glycemia within acceptable ranges. In this context, several glucose transporter isoforms have been cloned recently and some of them have appeared to play important regulatory roles. Better characterizing two of them (GLUT8 and GLUT9) was the purpose of my work. The first part of my work was focused on GLUT8, which is mainly expressed in the brain and is able to transport glucose with high affinity. GLUT8 is retained intracellularly at basal state depending on an N-terminal dileucine motif, thus implying that cell surface expression may be induced by extracellular triggers. In this regard, I was interested in better defining GLUT8 subcellular localization at basal state and in finding signals promoting its translocation, using an adenoviral vector expressing a myc epitope-tagged version of the transporter, thus allowing expression and detection of cell-surface GLUT8 in primary hippocampal neurons and PC 12 cells. This tool enabled me to found out that GLUT8 resides in a unique compartment different from lysosomes, endoplasmic reticulum, endosomes and the Golgi. In addition, absence of GLUT8 translocation following pharmacological activation of several signalling pathways suggests that GLUT8 does not ever translocate to the cell surface, but would rather fulfill its role in its unique intracellular compartment. The second part of my work was focused on GLUT9, which -contrarily to GLUT8 - is unable to transport glucose, but retains the ability to bind glucose-derived cross-linker molecules, thereby suggesting that it may be a glucose sensor rather than a true glucose transporter. The aim of the project was thus to define if GLUT9 triggers intracellular signals when activated. Therefore, adenoviral vectors expressing GLUTS were used to infect both ßpancreatic and liver-derived cell lines, as GLUTS is endogenously expressed in the liver. Comparison of gene expression between cells infected with the GLUTS-expressing adenovirus and cells infected with a GFP-expressing control adenovirus ended up in the identification of the transcription factor HNF4α as being upregulated in aGLUT9-dependent manner. Résumé La prévalence du diabète de type 2 augmente de façon alarmante dans le monde entier, probablement secondairement à celle de l'obésité. Le diabète de type 2 étant caractérisé par une glycémie sanguine élevée, l'entrée du glucose dans les tissus depuis la circulation sanguine constitue un point de contrôle important pour maintenir la glycémie à des valeurs acceptables. Dans ce contexte, plusieurs isoformes de transporteurs au glucose ont été clonées récemment et certaines d'entre elles sont apparues comme jouant d'importants rôles régulateurs. Mieux caractériser deux d'entre elles (GLUT8 et GLUT9) était le but de mon travail. La première partie de mon travail a été centrée sur GLUT8, qui est exprimé principalement dans le cerveau et qui peut transporter le glucose avec une haute affinité. GLUT8 est retenu intracellulairement à l'état basal de façon dépendante d'un motif dileucine N-terminal, ce qui implique que son expression à la surface cellulaire pourrait être induite par des stimuli extracellulaires. Dans cette optique, je me suis intéressé à mieux définir la localisation subcellulaire de GLUT8 à l'état basal et à trouver des signaux activant sa translocation, en utilisant comme outil un vecteur adénoviral exprimant une version marquée (tag myc) du transporteur, me permettant ainsi d'exprimer et de détecter GLUT8 à la surface cellulaire dans des neurones hippocampiques primaires et des cellules PC12. Cet outil m'a permis de montrer que GLUT8 réside dans un compartiment unique différent des lysosomes, du réticulum endoplasmique, des endosomes, ainsi que du Golgi. De plus, l'absence de translocation de GLUT8 à la suite de l'activation pharmacologique de plusieurs voies de signalisation suggère que GLUT8 ne transloque jamais à la membrane plasmique, mais jouerait plutôt un rôle au sein même de son compartiment intracellulaire unique. La seconde partie de mon travail a été centrée sur GLUT9, lequel -contrairement à GLUT8 -est incapable de transporter le glucose, mais conserve la capacité de se lier à des molécules dérivées du glucose, suggérant que ce pourrait être un senseur de glucose plutôt qu'un vrai transporteur. Le but du projet a donc été de définir si GLUT9 active des signaux intracellulaires quand il est lui-même activé. Pour ce faire, des vecteurs adénoviraux exprimant GLUT9 ont été utilisés pour infecter des lignées cellulaires dérivées de cellules ßpancréatiques et d'hépatocytes, GLUT9 étant exprimé de façon endogène dans le foie. La comparaison de l'expression des gènes entre des cellules infectées avec l'adénovirus exprimant GLUT9 et un adénovirus contrôle exprimant la GFP a permis d'identifier le facteur de transcription HNF4α comme étant régulé de façon GLUT9-dépendante. Résumé tout public Il existe deux types bien distincts de diabète. Le diabète de type 1 constitue environ 10 des cas de diabète et se déclare généralement à l'enfance. Il est caractérisé par une incapacité du pancréas à sécréter une hormone, l'insuline, qui régule la concentration sanguine du glucose (glycémie). Il en résulte une hyperglycémie sévère qui, si le patient n'est pas traité à l'insuline, conduit à de graves dommages à divers organes, ce qui peut mener à la cécité, à la perte des membres inférieurs, ainsi qu'à l'insuffisance rénale. Le diabète de type 2 se déclare plus tard dans la vie. Il n'est pas causé par une déficience en insuline, mais plutôt par une incapacité de l'insuline à agir sur ses tissus cibles. Le nombre de cas de diabète de type 2 augmente de façon dramatique, probablement à la suite de l'augmentation des cas d'obésité, le surpoids chronique étant le principal facteur de risque de diabète. Chez l'individu sain, le glucose sanguin est transporté dans différents organes (foie, muscles, tissu adipeux,...) où il est utilisé comme source d'énergie. Chez le patient diabétique, le captage de glucose est altéré, expliquant ainsi l'hyperglycémie. Il est ainsi crucial d'étudier les mécanismes permettant ce captage. Ainsi, des protéines permettant l'entrée de glucose dans la cellule depuis le milieu extracellulaire ont été découvertes depuis une vingtaine d'années. La plupart d'entre elles appartiennent à une sous-famille de protéines nommée GLUT (pour "GLUcose Transporters") dont cinq membres ont été caractérisés et nommés selon l'ordre de leur découverte (GLUT1-5). Néanmoins, la suppression de ces protéines chez la souris par des techniques moléculaires n'affecte pas totalement le captage de glucose, suggérant ainsi que des transporteurs de glucose encore inconnus pourraient exister. De telles protéines ont été isolées ces dernières années et nommées selon l'ordre de leur découverte (GLUT6-14). Durant mon travail de thèse, je me suis intéressé à deux d'entre elles, GLUT8 et GLUT9, qui ont été découvertes précédemment dans le laboratoire. GLUT8 est exprimé principalement dans le cerveau. La protéine n'est pas exprimée à la surface de la cellule, mais est retenue à l'intérieur. Des mécanismes complexes doivent donc exister pour déplacer le transporteur à la surface cellulaire, afin qu'il puisse permettre l'entrée du glucose dans la cellule. Mon travail a consisté d'une part à définir où se trouve le transporteur à l'intérieur de la cellule, et d'autre part à comprendre les mécanismes capables de déplacer GLUT8 vers la surface cellulaire, en utilisant des neurones exprimant une version marquée du transporteur, permettant ainsi sa détection par des méthodes biochimiques. Cela m'a permis de montrer que GLUT8 est localisé dans une partie de la cellule encore non décrite à ce jour et qu'il n'est jamais déplacé à la surface cellulaire, ce qui suggère que le transporteur doit jouer un rôle à l'intérieur de la cellule et non à sa surface. GLUT9 est exprimé dans le foie et dans les reins. Il ressemble beaucoup à GLUT8, mais ne transporte pas le glucose, ce qui suggère que ce pourrait être un récepteur au glucose plutôt qu'un transporteur à proprement parler. Le but de mon travail a été de tester cette hypothèse, en comparant des cellules du foie exprimant GLUT9 avec d'autres n'exprimant pas la protéine. Par des méthodes d'analyses moléculaires, j'ai pu montrer que la présence de GLUT9 dans les cellules du foie augmente l'expression de HNF4α, une protéine connue pour réguler la sécrétion d'insuline dans le pancréas ainsi que la production de glucose dans le foie. Des expériences complémentaires seront nécessaires afin de mieux comprendre par quels mécanismes GLUT9 influence l'expression de HNF4α dans le foie, ainsi que de définir l'importance de GLUT9 dans la régulation de la glycémie chez l'animal entier.

The early IL-4 response to Leishmania major responsible for progressive disease in BALB/c mice is subject to the control of autocrine IL-2 production and regulatory CD4+C25+ T cells

Résumé : La majorité des souches de souris de laboratoire sont résistantes à l'infection par le parasite Leishmania major (L. major). A l'opposé, les souris de la souche BALB développent une maladie évolutive. La résistance et la sensibilité sont corrélées avec l'apparition de lymphocytes T CD4+ spécifiques du parasite, Th1 (de l'anglais T helper) ou Th2 respectivement. La réponse aberrante Th2 chez les souris de la souche BALB/c dépend, au moins en partie, de façon critique de la production rapide d'IL-4 suite à l'infection. Ce pic précoce d'IL-4 est produit par une population de lymphocytes T CD4+ restreinte aux molécules du MHC de classe II, exprimant les chaînes du récepteur des cellules T Vß4-Va8. Ces lymphocytes sont spécifiques d'un épitope de l'homologue Leishmania de la molécule RACK1 des mammifères, appelée LACK. Il a été clairement démontré que l'IL-4 rapidement produite par ces cellules T CD4+ Vß4-Va8 induit la maturation Th2 responsable de la sensibilité vis-à-vis de L. major. Des expériences ont été entreprises pour étudier la régulation de cette réponse précoce d'IL-4. Dans ce travail, nous avons documenté, dans les cellules provenant des ganglions de souris sensibles infectées par L. major, une augmentation de la transcription de l'ARNm de l'IL-2 qui précède la réponse précoce d'IL-4. La neutralisation de l'IL-2 durant les premiers jours d'infection induit la maturation des cellules Thl et la résistance vis-à-vis de L. major. Ces effets de l'anticorps anti-IL-2 neutralisant sont liés à sa capacité d'interférer avec la transcription rapide d'IL-4 des cellules CD4+ réactives à l'antigène LACK. Une augmentation similaire d'IL-2 survient chez les souris résistantes C57BL/6 qui sont incapables de générer la réponse précoce d'IL-4. Cependant, la protéiné LACK induit une transcription précoce d'IL-2 uniquement chez les souris sensibles. Des expériences de reconstitution utilisant des souris C.B.-17 SCID et des cellules T CD4+ réactives à LACK provenant de souris BALB/c IL-2-~démontrent un mode d'action autocrine de l'IL-2 sur la régulation de la réponse précoce d'IL4. Par conséquent, chez les souris C57BL/6, l'absence du pic précoce d'ARNm de l'IL-4 important pour la progression de la maladie paraît liée à l'incapacité des cellules T CD4+ réactives à LACK de produire de l'IL-2. Un rôle dans le contrôle de la production précoce d'IL-4 par les cellules T régulatrices CD4+CD25+ a été investigué en déplétant in vivo cette population de cellules. La déplétion induit une élévation du pic précoce de l'ARNm de l'IL-4 dans les ganglions drainant de souris BALB/c, ainsi qu'une exacerbation du cours de la maladie avec des taux augmentés d'IL-4 dans les ganglions. La réponse rapide d'IL-2 vis-à-vis de L. major est aussi significativement augmentée chez les souris BALB/c déplétées en cellules CD4+CD25+. De plus, nous avons démontré que le transfert de 10puissance(7) cellules provenant de la rate de souris BALB/c déplétées en cellules T régulatrices CD4+CD25+ rend les souris SCID sensibles à l'infection et permet la différentiation Th2. Au contraire, les souris SCID reconstituées avec 10' cellules de la rate de souris BALB/c contrôle sont résistantes à infection par L. major et développent une réponse Thl. Chez les souris SCID reconstituées avec des cellules de rate déplétées en cellules exprimant le marqueur CD25, le traitement avec un anticorps neutralisant l'IL-4 au moment de l'infection par L. major prévient le développement de la réponse Th2 et rend ces souris résistantes à l'infection. Ces résultats démontrent que les cellules T régulatrices CD4+CD25+ jouent un rôle dans la régulation du pic précoce d'IL-4 responsable du développement cellulaire Th2 dans ce modèle d'infection. Summary Mice from most strains are resistant to infection with Leishmania major (L. major). In contrast, BALB mice develop progressive disease. Resistance and susceptibility result from parasite-specific CD4+ Thl or Th2 cells, respectively. The aberrant Th2 response in BALB/c mice depends, at least in part, upon the production of IL-4 early after infection. The CD4+ T cells responsible for this early IL-4 response to L. major express a restricted TCR repertoire (Vß4-Va8) and respond to an I-Ad-restricted epitope of the Leishmania homologue of mammalian RACK1, designated LACK. The role of these cells and the IL-4 they produce for subsequent Th2 cell development and disease progression in BALB/c mice was demonstrated. Experiments have been undertaken to study the regulation of the rapid IL-4 production to L. major. In this report, we document an IL-2 mRNA burst, preceding the reported early IL-4 response, in draining lymph nodes of susceptible mice infected with L. major. Neutralization of IL-2 during the first days of infection redirected Thl cell maturation and resistance to L. major, through interference with the rapid IL-4 transcription in LACKreactive CD4+ cells. A burst of IL-2 transcripts also occurred in infected C57BL/6 mice that do not mount an early IL-4 response. However, although the LACK protein induced IL-2 transcripts in susceptible mice, it failed to trigger this response in resistant C57BL/6 mice. Reconstitution experiments using C.B.-17 SCID mice and LACK-reactive CD4+ T cells from IL-2-/- BALB/c mice showed that triggering of the early IL-4 response required autocrine IL2. Thus, in C57BL/6 mice, the inability of LACK-reactive CD4+ T cells to express early IL-4 mRNA transcription, important for disease progression, appears due to an incapacity of these cells to produce IL-2. A role for CD4+CD25+ regulatory T cells in the control of this early IL-4 production was investigated by depleting in vivo this regulatory T cell population. Depletion induced an increase in the early burst of IL-4 mRNA in the draining lymph nodes of BALB/c mice, and exacerbated the course of disease with higher levels of IL-4 mRNA and protein in their lymph nodes. The rapid IL-2 response to L. major is also significantly enhanced in BALB/c mice depleted of CD4+CD25+ cells. We further showed that transfer of 10~ BALB/c spleen cells that were depleted of CD4+CD25+ regulatory T cells rendered SCID mice susceptible to infection and allowed Th2 differentiation while SCID mice reconstituted with 10 control BALB/c spleen cells were resistant to infection with L. major and developed a Thl response. Treatment with a mAb against IL-4 upon infection with L. major in SCID mice reconstituted with CD25-depleted spleen cells prevented the development of Th2 polarization and rendered them resistant to infection. These results demonstrate that CD4+CD25+ regulatory T cells play a role in regulating the early IL-4 mRNA and the subsequent development of a Th2 response in this model of infection.

Nanoparticles for gene delivery to retinal pigment epithelial cells.

PURPOSE: To evaluate the safety and potential use of poly(lactic) acid (PLA) and poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) nanoparticles (NPs) as vectors for gene transfer to RPE cells. METHODS: Experiments were conducted with primary bovine RPE cells and with the ARPE-19 human RPE cell line. Rhodamine loaded NPs were used to study factors influencing the internalization process by the various RPE cells: concentrations of NPs, duration of contact time, stage of cell culture and ambient temperature. The extent of NPs internalization was evaluated by fluorescence and phase microscopy. Potential NP toxicity was measured by the trypan blue exclusion dye test and the MTT method. Green fluorescent protein (GFP) plasmid or red nuclear fluorescent protein (RNFP) plasmid were sequestered in NPs. The ability ot these "loaded" NPs to generate gene transfection and protein expression in RPE cells was assessed both in vivo and in vitro by fluorescence and confocal microscopy. RESULTS: The extent of NP internalization in cultured cells increases with their concentration reaching a plateau at 1 mg/ml and a contact time of up to 6 h. Temperature and culture stage did not influence the in vitro internalization process. No toxic effects on RPE cells could be detected when these were incubated with up to 4 mg/ml of NPs. In human and bovine RPE cells incubated with GFP loaded NPs, cytoplasmic green fluorescence was observed in 14+/-1.65% of the cultured cells. Incubation with RNFP loaded NPs yielded a nuclear red fluorescence in 18.9+/-1.6% of the cells. These percentage levels of expression initially detected after 48 h of incubation remained unchanged during the following 8 additional days in culture. No significant differences in the extent of cytoplasm or nuclear fluorescence expression were observed between bovine or human RPE cultured cells. In vivo, a preferential RNFP expression within the RPE cell layer was detected after intra vitreous injection of RNFP plasmid loaded NPs. CONCLUSIONS: The ability of PLGA NPs to sequester plasmids, their nontoxic characteristics, and rapid internalization enables gene transfer and expression in RPE cells. These findings may be of potential use when designing future gene therapy strategies for ocular diseases of the posterior segment.

Oligonucleotide-polyethylenimine complexes targeting retinal cells: structural analysis and application to anti-TGFbeta-2 therapy.

PURPOSE: The aim of this study was to characterize oligonucleotide-polyethylenimine (ODN/PEI) complex preparation for potential transfection of retinal cells in vitro and in vivo. METHODS: The effect of medium preparation [HEPES-buffered saline (HBS), water] on particle size and morphology was evaluated. Cultured Lewis rat retinal Müller glial (RMG) cells were transfected using fluorescein isothiocyanate (FITC)-ODN/PEI complexes specifically directed at transforming growth factor beta (TGFbeta)-2. Efficacy of transfection was evaluated using confocal microscopy, and regulation of gene expression was assayed using quantitative real-time RT-PCR and ELISA assay. One, 24, and 72 h after injection of FITC-ODN/PEI complexes into the vitreous of rat eyes, their distribution was analyzed on eye sections. RESULTS: Complexes prepared in HBS were smaller than complexes prepared in pure water and presented a core-shell structure. These particles showed a high cellular internalization efficacy, along with a significant and specific down-regulation of TGFbeta-2 expression and production in RMG cells, correlating with specific inhibition of cell growth at 72 h. In vivo, complexes efficiently transfect retinal cells and follow a transretinal migration at 24 h. After 72 h, ODN seems to preferentially target RMG cells without inducing any detectable toxicity. CONCLUSIONS: Specific down-regulation of TGFbeta-2 expression using ODN/PEI complexes may have potential interest for the treatment of retinal diseases associated with glial proliferation.

Targeting the JNK signaling pathway potentiates the antiproliferative efficacy of Rapamycin in LS174T colon cancer cells

RésuméLes récentes thérapies anticancéreuses développées visent principalement à inhiber les protéines mutées et responsables de la croissance des cellules cancéreuses. Dans ce contexte, l'inhibition d'une protéine appelée mTOR est une stratégie prometteuse. En effet, mTOR régule la prolifération et la survie cellulaire et mTOR est fréquemment activé dans les cellules tumorales.De nombreuses études ont démontré l'efficacité anti-tumorale d'inhibiteurs de mTOR telle que la rapamycine aussi bien dans des modèles expérimentaux que chez les patients souffrant de cancers. Ces études ont cependant également démontré que l'inhibition de mTOR induit l'activation d'autres protéines cellulaires qui vont induire la prolifération cellulaire et ainsi limiter l'effet anti-tumoral des inhibiteurs de mTOR. En particulier, la rapamycine induit l'activation de la voie de signalisation PI3K/Akt qui joue un rôle prépondérant dans la croissance cellulaire.Dans ce travail, nous avons étudié l'effet de la rapamycine sur une protéine appelée JNK ainsi que le rôle de JNK sur les effets anti-tumoraux de la rapamycine. JNK est une protéine impliquée dans la survie et la prolifération cellulaire. Elle est activée notamment par la voie de signalisation PI3K/Akt. De ce fait, nous avons émis l'hypothèse que la rapamycine induirait l'activation de JNK, réduisant ainsi l'efficacité anti¬tumorale de la rapamycine. En utilisant une lignée cellulaire tumorale (LS174T) dérivée du cancer colorectal, nous avons observé que la rapamycine induisait l'activation de JNK. Nous avons également observé que l'inhibition de JNK par le SP600125, un inhibiteur chimique de JNK, ou par la surexpression d'un dominant négatif de JNK dans les cellules LS174T potentialisait l'effet anti-tumoral de la rapamycine in vitro ainsi que dans un modèle murin de xénogreffe tumorale in vivo.En conclusion, nous avons observé que l'activation de JNK induite par la rapamycine entraine une réduction de l'effet anti-tumoral de cette dernière. Nous proposons ainsi que l'inhibition simultanée de JNK et de mTOR représente une nouvelle option thérapeutique en oncologie qu'il conviendra de confirmer dans d'autres modèles expérimentaux avant d'être testée dans des études cliniques.

Nuclear translocation and DNA recognition signals colocalized within the bZIP domain of cyclic adenosine 3',5'-monophosphate response element-binding protein CREB.

CREB is a cAMP-responsive nuclear DNA-binding protein that binds to cAMP response elements and stimulates gene transcription upon activation of the cAMP signalling pathway. The protein consists of an amino-terminal transcriptional transactivation domain and a carboxyl-terminal DNA-binding domain (bZIP domain) comprised of a basic region and a leucine zipper involved in DNA recognition and dimerization, respectively. Recently, we discovered a testis-specific transcript of CREB that contains an alternatively spliced exon encoding multiple stop codons. CREB encoded by this transcript is a truncated protein lacking the bZIP domain. We postulated that the antigen detected by CREB antiserum in the cytoplasm of germinal cells is the truncated CREB that must also lack its nuclear translocation signal (NTS). To test this hypothesis we prepared multiple expression plasmids encoding carboxyl-terminal deletions of CREB and transiently expressed them in COS-1 cells. By Western immunoblot analysis as well as immunocytochemistry of transfected cells, we show that CREB proteins truncated to amino acid 286 or shorter are sequestered in the cytoplasm, whereas a CREB of 295 amino acids is translocated into the nucleus. Chimeric CREBs containing a heterologous NTS fused to the first 248 or 261 amino acids of CREB are able to drive the translocation of the protein into the nucleus. Thus, the nine amino acids in the basic region involved in DNA recognition between positions 287 and 295 (RRKKKEYVK) of CREB contain the NTS. Further, mutation of the lysine at position 290 in CREB to an asparagine diminishes nuclear translocation of the protein.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Dissection of hormone-responsive plasma membrane to nucleus signaling of Bravis Radix : its role in vascular differentiation and root meristem growth

AbstractPlants continuously grow during their complete life span and understanding the mechanisms that qualitatively regulate their traits remains a challenging topic in biology. The hormone auxin has been identified as a crucial molecule for shaping plant growth, as it has a role in most developmental processes. In the root, the directional, so-called polar transport of auxin generates a peak of concentration that specifies and maintains the stem cell niche and a subsequent gradient of decreasing concentration that also regulates cell proliferation and differentiation. For these reasons, auxin is considered the main morphogen of the root, as it is fundamental for its organization and maintenance. Recently, in Arabidopsis thaliana, a natural variation screen allowed the discovery of BREVIS RADIX (BRX) gene as a limiting factor for auxin responsive gene expression and thus for root growth.In this study, we discovered that BRX is a direct target of auxin that positively feeds back on auxin signaling, as a transcriptional co-regulator, through interaction with the Auxin Response Factor (ARF) MONOPTEROS (MP), modulating the auxin gene response magnitude during the transition between division and differentiation in the root meristem. Moreover, we provide evidence that BRX is activated at the plasma membrane level as an associated protein before moving into the nucleus to modulate cellular growth.To investigate the discrepancy between the auxin concentration and the expression pattern of its downstream targets, we combined experimental and computational approaches. Expression profiles deviating from the auxin gradient could only be modeled after intersection of auxin activity with the observed differential endocytosis pattern and with positive auto- regulatory feedback through plasma- membrane-to-nucleus transfer of BRX. Because BRX is required for expression of certain auxin response factor targets, our data suggest a cell-type-specific endocytosis-dependent input into transcriptional auxin perception. This input sustains expression of a subset of auxin-responsive genes across the root meristem's division and transition zones and is essential for meristem growth. Thus, the endocytosis pattern provides specific positional information to modulate auxin response. RésuméLes plantes croissent continuellement tout au long de leur cycle de vie. Comprendre et expliquer les mécanismes impliqués dans ce phénomène reste à l'heure actuelle, un défi. L'hormone auxine a été identifiée comme une molécule essentielle à la régulation de la croissance des plantes, car impliquée dans la plupart des processus développementaux. Dans la racine, le transport polaire de l'auxine, par la génération d'un pic de concentration, spécifie et maintient la niche de cellules souches, et par la génération d'un gradient de concentration, contrôle la prolifération et la différentiation cellulaire. Puisque l'auxine est essentielle pour l'organisation et la maintenance du système racinaire, il est considéré comme son principal morphogène. Récemment, dans la plante modèle, Arabidopsis thalinana, un criblage des variations génétique a permis d'identifier le gène Brevis radix (BRX) comme facteur limitant l'expression des gènes de réponse à l'auxine et par là même, la croissance de la racine.Dans ce travail, nous avons découvert que BRX est une cible direct de l'auxine qui rétroactive positivement le signalement de l'hormone, agissant ainsi comme un régulateur transcriptionnel à travers l'interaction avec la protéine Monopteros (MP) de la famille des facteurs de réponse à l'auxine (Auxin Responsive Factor, ARF), et modulant ainsi la magnitude de la réponse des gènes reliés à l'auxine durant la division et la différentiation cellulaire dans le méristème de la racine. De plus, nous fournissons des preuves que BRX est activées au niveau de la membrane plasmique, tel une protéine associée se déplaçant à l'intérieur du noyau et modulant la croissance cellulaire.Pour mener à bien l'investigation des divergences entre la concentration de l'auxine et les schémas d'expression de ses propres gènes cibles, nous avons combiné les approches expérimentales et computationnelles. Les profiles d'expressions déviant du gradient d'auxine pourraient seulement être modéliser après intersection de l'activité de l'auxine avec les schémas différentiels d'endocytose observés et les boucles de rétroaction positives et autorégulatrices par le transfert de BRX de la membrane plasmique au noyau. Puisque BRX est requis pour l'expression de certains gènes cibles des facteurs de réponse à l'auxine, nos données suggèrent une contribution dépendante d'une endocytose spécifique au type de cellule dans la perception transcriptionnelle à l'auxine Cette contribution soutient l'expression d'un sous-set de gène de réponse à l'auxine dans la division du méristème racinaire et la zone de transition, et par conséquent, est essentielle pour la croissance méristematique. Ainsi, le schéma d'endocytose fournit des informations positionnelles spécifiques à la modulation de la réponse à l'auxine.

Gene transfer of the Ly-3 chain gene of the mouse CD8 molecular complex: co-transfer with the Ly-2 polypeptide gene results in detectable cell surface expression of the Ly-3 antigenic determinants.

The CD8 molecule is a glycoprotein expressed on a subset of mature T lymphocytes. It has been postulated to be a receptor for class I major histocompatibility complex molecules. In the mouse, CD8 is a heterodimer composed of Ly-2 and Ly-3 chains. We have isolated and analyzed cDNA and cosmid clones corresponding to the Ly-3 subunit. One of the isolated, cosmid clones was subsequently transfected, alone or in combination with the Ly-2 gene, into mouse Ltk- cells. Analysis of the Ly-2,3 molecules expressed at the surface of the double transfectants indicated that they are serologically and biochemically indistinguishable from their normal counterparts expressed on lymphoid cells. Ltk- cells transfected with the Ly-2 gene alone were shown to react with a subset of anti-CD8 monoclonal antibodies whereas Ly-3 transfectants did not stain with any of the anti-Ly-3 antibodies employed in this study. Since at least one of these antibodies (53-5.8) has been previously shown to recognize an epitope which is retained on the Ly-3 subunit after dissociation of the heterodimeric Ly-2,3 complex, these observations suggest that the expression of the Ly-2 polypeptide is required to permit the detectable cell surface expression of the antigenic determinants carried by the Ly-3 subunit.

Differential miRNA and IncRNA expression in embryonic stem cells lacking the Notch1 receptor

Embryonic stem (ES) cells-derived cardiomyocytes represent an attractive source of cells in cell replacement therapies for heart disease. However, controlled cardiogenic differentiation of ES cells requires a complete understanding of the complex molecular mechanisms regulating the differentiation process. We have previously shown that differentiation of ES cells into cardiomyocytes is favored by inactivation of the Notch 1 receptor pathway. In the present study, we therefore compared two ES cell lines, one with normal Notchl expression and one carrying deleted Notchl receptor alleles (Notchl-deleted ES cells) in order to identify genes responsible for the increased propensity of Notchl-deleted ES cells to produce cardiomyocytes. Using RNA-sequencing, we found approximately 300 coding and noncoding transcripts, which are differently expressed in undifferentiated Notchl-deleted ES cells. Since accumulating evidences indicate that long noncoding RNAs (IncRNAs) play important roles in ES cell pluripotency and differentiation, we focused our analysis on modulated IncRNAs. In particular, two IncRNAs, named here lnc 1230 and lnc 1335, are highly induced in the absence of Notchl receptor expression. These represent therefore prime candidates that could favor cardiogenic commitment in undifferentiated ES cells. Indeed, we demonstrate that forced expression of these two IncRNAs in wild-type ES cells result in a significant increase of the number of cardiac progenitor cells and cardiomyocytes in the differentiated progeny of these ES cells. Furthermore, we also identify several microRNAs that are differentially modulated in absence of Notchl expression. Among these are miR-142-5p and miR- 381-3p. Interestingly, both lncl230 and lncl335 are targets of these two microRNAs. Altogether, these data suggest that Notchl-dependent noncoding gene networks, implicating microRNAs and IncRNAs, control embryonic stem cell commitment into the mesodermal and cardiac lineages already at the undifferentiated state. - Les cardiomyocytes issus cellules souches embryonnaires sont une source très prometteuse pour les thérapies cellulaire de remplacement dans le cadre des maladies cardiaques. Cependant, l'utilisation de telles cellules requiert une compréhension poussée des mécanismes moléculaire régulant la différenciation. Nous avons par le passé démontré que la différenciation des cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes est favorisée par l'inactivation de la voie d'activation intracellulaire dépendante du récepteur Notch 1. Nous avons donc comparé deux lignées de cellules souches embryonnaires, une présentant une voie d'activation Notchl normale et une chez laquelle les allèles codant pour le récepteur Notchl avaient été invalidés, de façon à identifier les gènes impliqués dans la capacité augmentée des cellules déficientes à produire des cardiomyocytes. En utilisant du séquençage d'ARN à haut débit, nous avons trouvé environ 300 gènes différemment exprimés dans les cellules déficientes pour Notchl. Par ailleurs, des évidences de plus en plus nombreuses suggèrent qu'une nouvelle classe de molécules appelée « long noncoding RNAs » joue un rôle prépondérant dans la maintenance de l'état non différencié et de la capacité de différenciation des cellules souches embryonnaires. Nous avons trouvé que plusieurs « long noncoding RNAs » étaient modulés en l'absence de Notchl, et en particulier deux molécules que nous avons appelées lncl230 et lncl335. Ces derniers représentent des candidats potentiels devant permettre de favoriser la production de cardiomyocytes. Nous avons en effet démontré que la surexpression de ces deux candidats dans des cellules souches embryonnaires résultait en une surproduction de cardiomyocytes. De plus, nous avons également identifié plusieurs microRNAs dont l'expression était modulée dans les cellules souches embryonnaires déficientes dans la voie Notchl. De façon intéressante, parmi ces microRNAs, le miR-142-5p et le miR-381-3p sont capables de cibler lncl230 and lncl335. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent donc que des réseaux d'interaction dépendant de la voie d'activation Notch 1 et impliquant des ARNs non codant existent dans les cellules souches embryonnaires pour réguler leur différenciation en différent types cellulaires spécifiques.

An Ion Transport-Independent Role for the Cation-Chloride Cotransporter KCC2 in Dendritic Spinogenesis In Vivo.

The neuron-specific K-Cl cotransporter, KCC2, is highly expressed in the vicinity of excitatory synapses in pyramidal neurons, and recent in vitro data suggest that this protein plays a role in the development of dendritic spines. The in vivo relevance of these observations is, however, unknown. Using in utero electroporation combined with post hoc iontophoretic injection of Lucifer Yellow, we show that premature expression of KCC2 induces a highly significant and permanent increase in dendritic spine density of layer 2/3 pyramidal neurons in the somatosensory cortex. Whole-cell recordings revealed that this increased spine density is correlated with an enhanced spontaneous excitatory activity in KCC2-transfected neurons. Precocious expression of the N-terminal deleted form of KCC2, which lacks the chloride transporter function, also increased spine density. In contrast, no effect on spine density was observed following in utero electroporation of a point mutant of KCC2 (KCC2-C568A) where both the cotransporter function and the interaction with the cytoskeleton are disrupted. Transfection of the C-terminal domain of KCC2, a region involved in the interaction with the dendritic cytoskeleton, also increased spine density. Collectively, these results demonstrate a role for KCC2 in excitatory synaptogenesis in vivo through a mechanism that is independent of its ion transport function.

The role of MIC-1/GDF15 cytokine in glioblastoma

AbstractDespite advances in diagnosis and treatment made over the past two decades, high-gradeprimary brain tumors remain incurable neoplasms. Glioblastoma (GBM) represents the mostmalignant stage of astrocytic brain tumors. Identification of diagnostic and prognostic markers ineasily accessible biological material, such as plasma or cerebro-spinal fluid (CSF), would greatlyfacilitate the management of GBM patients. Elucidation of the molecular mechanisms that underlie thefunction of the factors implicated in GBM development would pave the way towards their potentialutility in cancer-targeting therapy.MIC-1/GDF15 (Macrophage Inhibitory Cytokine-1/ Growth Differentiation Factor 15), asecreted protein of the TGF-β superfamily, emerged as a candidate marker exhibiting increasingmRNA expression during astrocytoma malignant progression. However, injection of MIC-1/GDF15over-expressing GBM cell lines into nude mice has been previously shown to completely abolish theinherent tumorigenicity.In this study, determination of MIC-1/GDF15 protein levels in the CSF of a cohort of 94patients with intracranial tumors including astrocytomas (grades II, III and IV), meningioma, andmetastasis revealed significantly increased concentrations in GBM patients as compared to controlcohort of patients treated for non-neoplastic diseases. However, MIC-1/GDF15 levels were notelevated in the matching plasma samples from these patients. Most interestingly, GBM patients withthe increased concentrations of MIC-1/GDF15 in the CSF had worse outcome.In GBM tissue, it was found that the expression of MIC-1/GDF15 gene is low. Promotermethylation of the gene may partially explain the overall low expression levels. Investigation of thecellular origin of MIC-1/GDF15 expression in GBM tissue led to the MIC-1/GDF15 protein detectionin a subpopulation of the tumor infiltrating macrophages. These findings substantiated the workinghypothesis of MIC-1/GDF15 as harboring tumor-suppressive properties in GBM. Analysis of thesignaling pathway mediated by MIC-1/GDF15 in GBM highlighted the potential role of TGF-β signaltransduction. However, the lack of the functional response to the presence of MIC-1/GDF15 in-vitrosuggested operation of a paracrine loop for suppression of tumor formation which is evident solely invivo.In conclusion, MIC-1/GDF15 protein measured in the CSF may have diagnostic andprognostic values in patients with intracranial tumors. Molecular studies collectively proposeimplication of the tumor-host interactions in mediating the MIC-1/GDF15 tumor-suppressing activityduring GBM development.RésuméMalgré les progrès durant ces deux dernières décennies dans le diagnostique et le traitementdes tumeurs du cerveau primaires, ces néoplasmes restent incurables. Le glioblastome représente laforme la plus maligne des tumeurs astrocytiques du cerveau (astrocytomes). Pour le diagnostic et lepronostic, l'identification de marqueurs présents dans des substances facilement accessibles comme leplasma où le liquide céphalorachidien (LCR) faciliterait beaucoup la prise en charge des patients. Lacompréhension des mécanismes moléculaires de facteurs impliqués dans le développement du GBMpourrait ouvrir la voie vers l'utilisation de ces mécanismes dans des thérapies ciblées.MIC-1/GDF15 (Macrophage Inhibitory Cytokine-1/ Growth Differentiation Factor 15), uneprotéine secrétée qui appartient à la superfamille TGF-β, s'est révélé être un marqueur candidat, dontl'expression d'ARN messager augmente pendant la progression des astrocytomes malins. Cependant,une précedente étude montre que l'injection des lignées cellulaires de GBM fortement productrices deMIC-1/GDF15 dans des souris immunodéprimées abolit la tumorigénicité.Dans cette étude, les mesures dans une cohorte de 94 patients atteints de tumeursintracrâniennes comprenant des astrocytomes (grades II, III et IV), méningiomes et métastases,présentent des augmentations significatives des niveaux protéiques de MIC-1/GDF15 dans le LCRdes patients atteints de GBM par rapport aux patients traités pour des maladies non cancéreuses.Cependant, les niveaux de MIC-1/GDF15 n'étaient pas spécialement élevés dans le plasma. De plus,les patients atteints d'un GBM avec des niveaux élevés de MIC-1/GDF15 dans le LCR ont survécumoins longtemps. Dans les tissus de glioblastome, on observe que le gène MIC-1/GDF15 est peuexprimé. La méthylation du promoteur explique partiellement le faible niveau d'expression du gène.La recherche l'origine cellulaire de l'expression de MIC-1/GDF15, a permis de découvrir la présencede protéines MIC-1/GDF15 dans une sous-population de macrophages qui infiltrent les tumeurs. Cetteobservation supporte l'hypothèse que MIC-1/GDF15 présentait des propriétés de suppression destumeurs de type GBM. Des études sur les voies de signalisation régulées par MIC-1/GDF15 dans lesGBMs ont souligné l'importance de la voie de transduction du signal TGF-β. Cependant, l'absence deréponse fonctionnelle à MIC-1/GDF15 in vitro suggère fortement l'activité d'une boucle paracrinepour la répression de la formation de tumeur, qui n'est observé que in vivo.En conclusion, la protéine MIC-1/GDF15 mesurée dans le LCR pourrait avoir une valeur pourle diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de GBM. Les études moléculaires suggèrent unepossible implication de l'interaction hôte-tumeur dans l'activité anti-tumorale de MIC-1/GDF15 sur leGBM.

Regulation of the activity of DnaA and its role during the cell cycle of caulobacter crescentus

The initiation of chromosomal replication must be tightly regulated so that the genome is replicated only once per cell cycle. In most bacteria, DnaA binds to the origin of replication and initiates chromosomal replication. DnaA is a dual-function protein that also acts as an important transcription factor that regulates the expression of many genes in bacteria. Thus, understanding how this protein is regulated during the bacterial cell cycle is of major importance. The α-proteobacterium Caulobacter crescentus is an excellent model to study the bacterial cell cycle, mainly because it is possible to isolate synchronized cell cultures and because it initiates the replication of its chromosome once per cell cycle and at a specific time of the cell cycle. This latest feature is of special interest for the major aim of my thesis work, which focused on the temporal and spatial regulation of the activity of the essential DnaA protein in C. crescentus. In Escherichia coli, the Hda protein converts ATP-DnaA into ADP- DnaA by stimulating the ATPase activity of DnaA, to prevent over-initiation of chromosome replication. We propose that there exists a similar mechanism in C. crescentus, which is not only involved in the temporal control of chromosome replication, but also in the control of gene expression. First, we provided evidences indicating that the hydrolysis of the ATP bound to DnaA is essential for the viability of C. crescentus. Our results suggest that ATP-DnaA promotes the initiation of chromosome replication, since we found that cells over-expressing a DnaA protein with a mutated ATPase domain, DnaA(R357A), over-initiated chromosome replication, unlike cells expressing the wild-type DnaA protein at similar levels. By contrast, the DnaA(R357A) protein was less active than DnaA in promoting the transcription of three essential genes, suggesting that these may be more efficiently activated by ADP-DnaA than ATP-DnaA. We propose that the ATP-DnaA to ADP-DnaA switch down-regulates the initiation of DNA replication while activating the transcription of several essential genes involved in subsequent cell cycle events. Second, we studied the role of the HdaA protein, homologous to Hda, in promoting the ATP- DnaA to ADP-DnaA switch in C. crescentus. HdaA is essential for viability and its depletion in the cell leads to an over-replication of the chromosome, indicating that HdaA is a negative regulator of DNA replication. HdaA dynamically co-localizes with the replisome. In this work, we identified DnaN, the β-clamp of the DNA polymerase, as the replisome component that interacts directly with HdaA and that recruits HdaA to the replisome in live C. crescentus cells. We also showed that a mutant HdaA protein that cannot interact or co-localize with DnaN is not functional, indicating that HdaA is probably activated by DnaN. However, we found that another non-functional HdaA protein, mutated in the conserved Arginine finger of its AAA+ domain, was able to localize at the replisome, suggesting that the AAA+ domain of HdaA exerts its essential function after the recruitment of HdaA to the replisome. We propose that HdaA stimulates the ATPase activity of DnaA once DNA replication is ongoing, via its interaction with DnaN and the activity of the two conserved R fingers of DnaA and HdaA. Finally, we created different strains in which HdaA, DnaN or DnaA were over-produced. We observed that the over-production of HdaA seems to lead to a delay in chromosome replication, while the over-production of DnaN had an opposite effect. Our results also indicate that the over-production of DnaA may intensify the over-initiation phenotype of cells depleted for HdaA. We conclude that the dynamic interplay of HdaA and DnaN in the cell contributes to regulating the ATP-DnaA/ADP-DnaA ratio in the cell, to ensure once per cell cycle initiation of chromosomal replication in C. crescentus. Altogether, our work provided important information on the regulation of the activity of DnaA in C. crescentus. Since DnaA, HdaA and DnaN are well-conserved proteins, most of our findings are useful to understand how chromosome replication and gene expression are controlled by DnaA in many other bacterial species. - L'initiation de la réplication des chromosomes doit être précisément régulée de telle sorte que le génome ne soit répliqué qu'une seule fois par cycle cellulaire. Chez la plupart des bactéries, DnaA se lie à l'origine de réplication du chromosome et en initie sa réplication. DnaA est aussi un facteur de transcription qui régule l'expression de nombreux gènes bactériens. De ce fait, il est très important de comprendre comment DnaA est régulée au cours du cycle cellulaire bactérien. L'a-protéobactérie Caulobacter crescentus est un excellent modèle pour étudier le cycle cellulaire bactérien, essentiellement parce qu'il est aisé d'isoler des populations de cellules synchronisées à la même étape du cycle cellulaire et parce que cette bactérie n'initie la réplication de son chromosome qu'une seule fois et à un moment précis de son cycle. Cette dernière caractéristique est particulièrement pertinente pour l'objectif de mon travail doctoral, qui consistait à comprendre comment l'activité de la protéine essentielle DnaA est régulée dans l'espace et dans le temps chez C. crescentus. Chez Escherichia coli, la protéine Hda convertie DnaA-ATP en DnaA-ADP en stimulant l'activité ATPasique de DnaA, ce qui empêche la sur-initiation de la réplication du chromosome. Nous proposons qu'un mécanisme similaire existe chez C. crescentus. Il serait non seulement nécessaire au contrôle de la réplication du chromosome, mais aussi au contrôle de l'expression de certains gènes. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence le fait que l'hydrolyse de l'ATP lié à DnaA est un processus essentiel à la viabilité de C. crescentus. Nos résultats suggèrent que DnaA-ATP initie la réplication du chromosome, comme nous avons observé que des cellules qui sur-expriment une protéine DnaA(R357A) mutée sans domaine ATPasique fonctionnel, sur-initie la réplication de leur chromosome, contrairement aux cellules qui sur-expriment la protéine DnaA sauvage à des niveaux équivalents. Au contraire, la protéine DnaA(R357A) était moins active que la protéine DnaA sauvage pour promouvoir la transcription de trois gènes essentiels, ce qui suggère que ces derniers sont peut-être plus efficacement activés par DnaA-ADP que DnaA-ATP. Nous proposons que la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP réprime l'initiation de la réplication, tandis qu'elle active la transcription de plusieurs gènes impliqués dans des étapes plus tardives du cycle cellulaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le rôle de la protéine HdaA, homologue à Hda, dans la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP chez C. crescentus. Cette protéine est essentielle à la viabilité de C. crescentus et sa déplétion donne des cellules qui sur-initient la réplication de leur chromosome, suggérant que HdaA est un répresseur de la réplication du chromosome. HdaA co-localise de manière dynamique avec le réplisome. Lors de mon travail doctoral, nous avons démontré que DnaN, le β-clamp de l'ADN polymérase, est l'élément qui recrute HdaA au réplisome in vivo. Nous avons aussi montré qu'une protéine HdaA mutante qui ne peut pas interagir ou co-localiser avec DnaN, n'est pas fonctionnelle, ce qui suggère que HdaA est activée par DnaN. Nous avons néanmoins aussi isolé une autre protéine HdaA non fonctionnelle, dont une arginine conservée de son domaine AAA+ était mutée, mais qui pouvait toujours co-localiser avec le réplisome, ce qui suggère que le domaine AAA+ de HdaA est nécessaire après le recrutement de HdaA au réplisome. Nous proposons que HdaA stimule l'activité ATPasique de DnaA qu'une fois que la réplication a commencé, grâce à son interaction avec DnaN et aux deux arginines conservées des protéines HdaA et DnaA. Finalement, nous avons construit différentes souches sur-exprimant HdaA, DnaN ou DnaA. Nous avons observé que la sur-production de HdaA retarde la réplication du chromosome, tandis que la sur-production de DnaN a un effet opposé. Nos observations suggèrent aussi que la sur-expression de DnaA dans des cellules déplétées pour HdaA aggrave leur phénotype de sur-initiation. Nous en concluons que HdaA et DnaN collaborent étroitement et de manière dynamique pour réguler le rapport DnaA-ATP/DnaA-ADP dans la cellule, pour s'assurer que la réplication du chromosome ne soit initiée qu'une seule fois par cycle cellulaire chez C. crescentus. Globalement, notre travail a mis en évidence des informations importantes sur la régulation de l'activité de DnaA chez C. crescentus. Comme DnaA, HdaA et DnaN sont des protéines très conservées, la plupart de nos découvertes sont utiles pour mieux comprendre comment la réplication du chromosome bactérien et l'expression des gènes sont contrôlées par DnaA chez de nombreuses autres espèces bactériennes.

The role of PLK-1 in asynchronous cell division of two-cell stage "C. elegans" embryos

Summary Acquisition of lineage-specific cell cycle duration is an important feature of metazoan development. In Caenorhabditis a/egans, differences in cell cycle duration are already apparent in two-cell stage embryos, when the larger anterior blastomere AB divides before the smaller posterior blastomere P1. This time difference is under the control of anterior-posterior (A-P) polarity cues set by the PAR proteins. The mechanism by which these cues regulate the cell cycle machinery differentially in AB and P1 are incompletely understood. Previous work established that retardation of P1 cell division is due in part to preferential activation of an ATL1/CHK-1 dependent checkpoint in P1 but how the remaining time difference is controlled was not known at the onset of my work. The principal line of work in this thesis established that differential timing relies also on a mechanism that promotes mitosis onset preferentially in AB. The polo-like kinase PLK-1, a positive regulator of mitotic entry, is distributed in an asymmetric manner in two-cell stage embryos, with more protein present in AB than in P1. We find that PLK-1 asymmetry is regulated by anterior-posterior (A-P) polarity cues through preferential protein retention in the embryo anterior. Importantly, mild inactivation of plk-1 by RNAi delays entry into mitosis in P1 but not in AB, in a manner that is independent of ATL-1/CHK-1. Together, these findings favor a model in which differential timing of mitotic entry in C. elegans embryos relies on two complementary mechanisms: ATL-1/CHK-1 dependent preferential retardation in P1 and PLK-1 dependent preferential promotion in AB, which together couple polarity cues and cell cycle progression during early development. Besides analyzing PLK-1 asymmetry and its role in differential timing of two-cells stage embryos, we also characterized t2190, a mutant that exhibits reduced differential timing between AB and P1. We found this mutant to be a new allele of par-1. Additionally, we analyzed the role of NMY-2 in regulating the asynchrony of two-cell stage embryos, which may be uncoupled from its role in A-P polarity establishment and carried out a preliminary analysis of the mechanism underlying CDC-25 asymmetry between AB and P,. Overall, our works bring new insights into the mechanism controlling cell cycle progression in early C. elegans embryos. As most of the players important in C. elegans are conserved in other organisms, analogous mechanisms may be utilized in polarized cells of other species. Résumé Au cours du développement, les processus de division cellulaire sont régulés dans l'espace et le temps afin d'aboutir à la formation d'un organisme fonctionnel. Chez les Métazoaires, l'un des mécanismes de contrôle s'effectue au niveau de la durée du cycle cellulaire, celle-ci étant specifiée selon la lignée cellulaire. L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans apparaît comme un excellent modèle d'étude de la régulation temporelle du cycle cellulaire. En effet, suite à la première division du zygote, l'embryon est alors composé de deux cellules de taille et d'identité différentes, appelées blastomères AB et P1. Ces deux cellules vont ensuite se diviser de manière asynchrone, le grand blastomère antérieur AB se divisant plus rapidement que le petit blastomère postérieur P1. Cette asynchronie de division est sous le contrôle des protéines PAR qui sont impliquées dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. A ce jour, les mécanismes moléculaires gouvernant ce processus d'asynchronie ne sont que partiellement compris. Des études menées précédemment ont établit que le retard de division observé dans le petit blastomère postérieur P1 était dû, en partie, à l'activation préférentielle dans cette cellule de ATL-1/CHK-1, protéines contrôlant la réponse à des erreurs dans le processus de réplication de l'ADN. L'analyse des autres mécanismes responsables de la différence temporelle d'entrée en mitose des deux cellules a été entreprise au cours de cette thèse. Nous avons considéré la possibilité que l'asynchronie de division était du à l'entrée préférentielle en mitose du grand blastomère AB. Nous avons établi que la protéine kinase PLK-1 (polo-like kinase 1), impliquée dans la régulation positive de la mitose, était distribuée de manière asymétrique dans l'embryon deux cellules. PLK-1 est en effet enrichi dans le blastomère AB. Cette localisation asymétrique de PLK-1 est sous le contrôle des protéines PAR et semble établie via une rétention de PLK-1 dans la cellule AB. Par ailleurs, nous avons démontré que l'inactivation partielle de plk-7 par interférence à ARN (RNAi) conduit à un délai de l'entrée en mitose de la cellule P1 spécifiquement, indépendamment des protéines régulatrices ATL-1/CHK-1. En conclusion, nous proposons un modèle de régulation temporelle de l'entrée en mitose dans l'embryon deux cellules de C. elegans basé sur deux mécanismes complémentaires. Le premier implique l'activation préférentielle des protéines ATL-1/CHK-1, et conduit à un retard d'entrée en mitose spécifiquement dans la cellule P1. Le second est basé sur la localisation asymétrique de la protéine kinase PLK-1 dans la cellule AB et induit une entrée précoce en mitose de cette cellule. Par ailleurs, nous avons étudié un mutant appelé t2190 qui réduit la différence temporelle d'entrée en mitose entre les cellules AB et P1. Nous avons démontré que ce mutant correspondait à un nouvel allèle du Bene par-1. De plus, nous avons analysé le rôle de NMY-2, une protéine myosine qui agit comme moteur moléculaire sur les filaments d'active; dans la régulation de l'asynchronie de division des blastomères AB et P1, indépendamment de sa fonction dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur. Par ailleurs, nous avons commencé l'étude du mécanisme moléculaire régulant la localisation asymétrique entre les cellules AB et P1 de la protéine phosphatase CDC25, qui est également un important régulateur de l'entrée en mitose. En conclusion, ce travail de thèse a permis une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la progression du cycle cellulaire dans l'embryon précoce de C. elegans. Etant donné que la plupart des protéines impliquées dans ces processus sont conservées chez d'autres organismes multicellulaires, il apparaît probable que les mécanismes moléculaires révélés dans cette étude soit aussi utilisés chez ceux-ci.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.