Why human islets die? analysis of death signaling pathways during isolation and following cytokine treatments

RESUME Le diabète de type 1 se définit comme un désordre métabolique d'origine auto-immune qui aboutit à la destruction progressive et sélective de la cellule ß-pancréatique sécrétrice d'insuline. Cette maladie représente 10 % des cas de diabète enregistrés dans la population mondiale, et touche les jeunes de moins de 20 ans. Le traitement médical par insulinothérapie corrige le manque d'hormone mais ne prévient pas les nombreuses complications telles que les atteintes cardiaques, neurologiques, rénales, rétiniennes, et les amputations que la maladie provoque. Le remplacement de la cellule ß par transplantation d'îlots de Langerhans est une alternative prometteuse au traitement médical du diabète de type 1. Cependant la greffe d'îlots est encore un traitement expérimental et ne permet pas un contrôle efficace de la glycémie au long terme chez les patients transplantés, et les raisons de cet échec restent mal comprises. L'obstacle immédiat qui se pose est la purification d'un nombre suffisant d'îlots viables et la perte massive de ces îlots dans les premières heures suite à la greffe. Cette tendance presque systématique de la perte fonctionnelle du greffon immédiatement après la transplantation est connue sous le terme de « primary graft non-function » (PNF). En effet, la procédure d'isolement des îlots provoque la destruction des composantes cellulaires et non cellulaires du tissu pancréatique qui jouent un rôle déterminant dans le processus de survie de l'îlot. De plus, la transplantation elle-même expose les cellules à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui encourage la mort cellulaire par apoptose et provoque par la suite le rejet de la greffe. L'ensemble de ces mécanismes aboutit a une perte de la masse d'îlot estimée a plus de 60%. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot par apoptose lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines. L'ensemble des résultats obtenus indique que plusieurs voies de signalisation intracellulaire sont recrutées qui s'activent de manière maximale très tôt lors des premières phases de l'isolement. La mise en culture des îlots deux jours permet aux voies activées de revenir aux taux de base. De ce fait nous proposons une stratégie dite de protection qui doit être 1) initiée aussitôt que possible lors de l'isolement des îlots pancréatiques, 2) devrait probablement bloquer l'activation de ces différentes voies de stress mis en évidence lors de notre étude et 3) devrait inclure la mise en culture des îlots purifiés deux jours après l'isolement et avant la transplantation. RESUME LARGE PUBLIC Le diabète est une maladie qui entraîne un taux anormalement élevé de sucre (glucose) dans le sang du à une insuffisance du pancréas endocrine à produire de l'insuline, une hormone qui régule la glycémie (taux de glucose dans le sang). On distingue deux types majeurs de diabètes; le diabète de type 1 ou juvénile ou encore appelé diabète maigre qui se manifeste souvent pendant l'enfance et qui se traduit par une déficience absolue en insuline. Le diabète de type 2 ou diabète gras est le plus fréquent, et touche les sujets de plus de 40 ans qui souffrent d'obésité et qui se traduit par une dysfonction de la cellule ß avec une incapacité à réguler la glycémie malgré la production d'insuline. Dans le diabète de type 1, la destruction de la cellule ß est programmée (apoptose) et est majoritairement provoquée par des médiateurs inflammatoires appelés cytokines qui sont produites localement par des cellules inflammatoires du système immunitaire qui envahissent la cellule ß-pancréatiques. Les cytokines activent différentes voies de signalisation parmi lesquelles on distingue celles des Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPKs) composées de trois familles de MAPKs: ERK1/2, p38, et JNK, et la voie NF-κB. Le traitement médical par injections quotidiennes d'insuline permet de contrôler la glycémie mais ne prévient pas les nombreuses complications secondaires liées à cette maladie. La greffe d'îlots de Langerhans est une alternative possible au traitement médical, considérée avantageuse comparée a la greffe du pancréas entier. En effet l'embolisation d'îlots dans le foie par injection intraportale constitue une intervention simple sans complications majeures. Néanmoins la technique de préparation d'îlots altère la fonction endocrine et cause la perte massive d'îlots pancréatiques. De plus, la transplantation elle-même expose la cellule ß à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui provoque le rejet de greffon cellulaire. Dans la perspective d'augmenter les rendements des îlots purifiés, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines après transplantation. L'ensemble de ces résultats indique que le stress induit lors de l'isolement des îlots et celui des cytokines recrute différentes voies de signalisation intracellulaire (JNK, p38 et NF-κB) qui s'additionnent entre-elles pour altérer la fonction et la viabilité de l'îlot. De ce fait une stratégie doit être mise en place pour bloquer toute action synergique entre ces différentes voies activées pour améliorer la viabilité et la fonction de la cellule ß lors du greffon cellulaire. SUMMARY Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is an autoimmune disease characterized by the progressive and selective destruction of the pancreatic ß-cells that secrete insulin, leading to absolute insulin deficiency. T1DM accounts for about 10% of all diabetes cases, affecting persons younger than 20 years of age. Medical treatment using daily exogenous insulin injection corrects hormone deficiency but does not prevent devastating complications such as heart attack, neuropathy, kidney failure, blindness, and amputation caused by the disease. Pancreatic islet transplantation (PIT) is one strategy that holds promise to cure patients with T1DM, but purified pancreatic islet grafts have failed to maintain long-term glucose homeostasis in human recipients, the reasons for this failure being still poorly understood. There is however a more immediate problem with islet grafting that is dependent upon poor islet recovery from donors and early islet loss following the first hours of grafting. This tendency of islet grafts to fail to function within a short period after transplantation is termed primary graft non-function (PNF). Indeed, the islet isolation procedure itself destroys cellular and non-cellular components of the pancreas that may play a role in supporting islet survival. Further, islet transplantation exposes cells to a variety of stressful stimuli, notably pro-inflammatory cytokines that encourage ß-cell death by apoptosis and lead to early graft failure. Altogether these mechanisms lead to an estimated loss of 60% of the total islet mass. Here, we have mapped the major intracellular stress signaling pathways that may mediate human islet loss by apoptosis during isolation and following cytokine attack. We found that several stress pathways are maximally activated from the earliest stages of the isolation procedure. Culturing islet for two days allow for the activated pathways to return to basal levels. We propose that protective strategies should 1) be initiated as early as possible during isolation of the islets, 2) should probably target the activated stress pathways that we uncovered during our studies and 3) should include culturing islets for two days post-isolation and prior transplantation.

Dramatic influence of V beta gene polymorphism on an antigen-specific CD8+ T cell response in vivo.

According to recent crystallographic studies, the TCR-alpha beta contacts MHC class I-bound antigenic peptides via the polymorphic V gene-encoded complementarity-determining region 1 beta (CDR1 beta) and the hypervariable (D)J-encoded CDR3 beta and CDR3 alpha domains. To evaluate directly the relative importance of CDR1 beta polymorphism on the fine specificity of T cell responses in vivo, we have taken advantage of congenic V beta a and V beta b mouse strains that differ by a CDR1 polymorphism in the V beta 10 gene segment. The V beta 10-restricted CD8+ T cell response to a defined immunodominant epitope was dramatically reduced in V beta a compared with V beta b mice, as measured either by the expansion of V beta 10+ cells or by the binding of MHC-peptide tetramers. These data indicate that V beta polymorphism has an important impact on TCR-ligand binding in vivo, presumably by modifying the affinity of CDR1 beta-peptide interactions.

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

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

Proliferation is a prerequisite for bacterial superantigen-induced T cell apoptosis in vivo.

Staphylococcal enterotoxin B (SEB) is a bacterial superantigen that binds to major histocompatibility complex class II molecules and selectively interacts with T cells that bear certain T cell receptor (TCR) V beta domains. Administration of SEB in adult mice results in initial proliferation of V beta 8+ T cells followed by a state of unresponsiveness resulting from a combination of clonal deletion and clonal anergy in the SEB-reactive population. At this time, it is unclear what relationship exists between the T cells that have proliferated and those that have been deleted or have become anergic. Here we show that only a fraction of the potentially reactive V beta 8+ T cells proliferate in response to SEB in vivo, and that all the cells that have proliferated eventually undergo apoptosis. Virtually no apoptosis can be detected in the nonproliferating V beta 8+ T cells. These data demonstrate a causal relationship between proliferation and apoptosis in response to SEB in vivo, and they further indicate that T cells bearing the same TCR V beta segment can respond differently to the same superantigen. The implications of this differential responsiveness in terms of activation and tolerance are discussed.

Mechanisms of spindle positioning during "Caenorhabditis elgans" asymmetric cell division

Résumé : Le positionnement correct du fuseau mitotique est crucial pour les divisions cellulaires asymétriques, car il gouverne le contrôle spatial de la division cellulaire et assure la ségrégation adéquate des déterminants cellulaires. Malgré leur importance, les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique sont encore mal compris. Chez l'embryon au stade une-cellule du nématode Caenorhabditis elegans, le fuseau mitotique est positionné de manière asymétrique durant l'anaphase grâce à l'action de générateurs de force situés au cortex cellulaire, et dont la nature était jusqu'alors indéterminée. Ces générateurs de force corticaux exercent une traction sur les microtubules astraux et sont dépendants de deux protéines Gα et de leurs protéines associées. Cette thèse traite de la nature de la machinerie responsable pour la génération des forces de tractions, ainsi que de son lien avec les protéines Gα et associées. Nous avons combiné des expériences de coupure par faisceau laser du fuseau mitotique avec le contrôle temporel de l'inactivation de gènes ou de l'exposition à des produits pharmacologiques. De cette manière, nous avons établi que la dynéine, un moteur se déplaçant vers l'extrémité négative des microtubules, ainsi que la dynamique des microtubules, sont toutes deux requises pour la génération efficace des forces de tractions. Nous avons démontré que les protéines Gα et leurs protéines associées GPR-1/2 et LIN-5 interagissent in vivo avec LIS-1, un composant du complexe de la dynéine. De plus, nous avons découvert que les protéines Gα, GPR-1/2 et LIN-5 promeuvent la présence du complexe de la dynéine au cortex cellulaire. Nos résultats suggèrent un mécanisme par lequel les protéines Gα permettent le recrutement cortical de GPR-1/2 et LIN-5, assurant ainsi la présence de la dynéine au cortex. Conjointement avec la dynamique des microtubules, ce mécanisme permet la génération des forces de tractions afin d'obtenir une division cellulaire correcte. Comme les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique et les divisions cellulaires asymétriques sont conservés au cours de l'évolution, nous espérons que les mécanismes élucidés par ce travail sont d'importance générale pour la génération de la diversité cellulaire durant le développement. De plus, ces mécanismes pourraient être applicables à d'autres divisions asymétriques, comme celle des cellules souches, dont le disfonctionnement peut entraîner la génération de cellules cancéreuses. Abstract : Proper spindle positioning is crucial for asymmetric cell division, because it controls spatial aspects of cell division and the correct inheritance of cell-fate determinants. However, the mechanisms governing spindle positioning remain incompletely understood. In the Caenorhabditis elegans one-cell stage embryo, the spindle becomes asymmetrically positioned during anaphase through the action of as-yet unidentified cortical force generators that pull on astral microtubules and that depend on two Gα proteins and associated proteins. This thesis addresses the nature of the force generation machinery and the link with the Gα and associated proteins. By performing spindle-severing experiments following temporally restricted gene inactivation and drug exposure, we established that microtubule dynamics and the minus-end directed motor dynein are both required for generating efficient pulling forces. We discovered that the Gα proteins and their associated proteins GPR-1/2 and LIN-5 interact in vivo with LIS-1, a component of the dynein complex. Moreover, we uncovered that LIN-5, GPR-1/2 and the Gα proteins promote the presence of the dynein complex at the cell cortex. Our findings suggest a mechanism by which the Gα proteins enable GPR-1/2 and LIN-5 recruitment to the cortex, thus ensuring the presence of cortical dynein. Together with microtubule dynamics, this allows pulling forces to be exerted and proper cell division to be achieved. Because the mechanisms of spindle positioning and asymmetric cell division are conserved across evolution, we expect the underlying mechanism uncovered here to be of broad significance for the generation of cell diversity during development. Moreover, this mechanism could be relevant for other asymmetric cell divisions, such as stem cell divisions, whose dysfunction may lead to the generation of cancer cells.

Pollution stress on aquatic microbial communities

Thousands of chemical compounds enter the natural environment but many have unknown effects and consequences, in particular at low concentrations. This thesis work contributes to our understanding of pollution effects by using bacteria as test organisms. Bacteria are important for this question because some of them degrade and transform pollutants into less harmful compounds, but secondly because they themselves can be inhibited in their reproduction by exposure to toxic compounds. When inhibitory effects occur this may change the composition of the microbial com¬munity in the long run, leading to altered or diminished ecosystem services by those communities. As a result chemicals of anthropogenic origin may accumulate and per¬sist in the environment, and finally, affect higher organisms as well. In addition to acquiring basic understanding of pollutant effects at low concentrations on bacterial communities an applied goal of this thesis work was to develop bacteria-based tests to screen new organic chemicals for toxicity and biodégradation. In the first part of this work we developed a flow cytometry-based assay on SYT09 plus ethidium-bromide or propidium-iodide stained cells of Pseudomonas ûuorescens exposed or not to a variety of pollutants under oligotrophic growth conditions. Flow cytometry (FC) allows fast and accurate counting of bacterial cells under simul¬taneous assessment of their physiological state, in particular in combination with different fluorescent dyes. Here we employed FC and fluorescent dyes to monitor the effect that pollutants may exert on Pseudomonas ûuorescens SV3. First we designed an oligotrophic growth test, which enabled us to follow population growth at low densities (104 - 10 7 cells per ml) using 0.1 mM sodium acetate as carbon source. Cells in the oligotrophic milieu were then exposed or not to a variety of common pollutants, such as 2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalene (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), mercury chloride (HgCl2) or benzene, in different dosages. Exposed culture samples were stained with SYT09 (green fluorescent dye binding nucleic acids, generally staining all cells) in combination with propidium iodide (PI) or ethidium bromide (EB), both dyes being membrane integrity indicators. We ob- served that most of the tested compounds decreased population growth in a dosage- dependent manner. SYT09/PI or SYT09/EB staining then revealed that chemical exposure led to arisal of subpopulations of live and injured or dead cells. By modeling population growth on the total cell numbers in population or only the subpopulation of live cells we inferred that even in stressed populations live cells multiply at rates no different to unexposed controls. The net decrease in population growth would thus be a consequence of more and more cells being not able to multiply at all, rather than all cells multiplying at slower rates. In addition, the proportion of injured cells correlated to the compound dosage. We concluded that the oligotrophic test may be useful to asses toxicity of unknown chemicals on a variety of model bacteria. Mul¬tiple tests can be run in parallel and effects are rapidly measured within a period of 8 hours. Interestingly, in the same exposure tests with P. fluorescens SV3 we observed that some chemicals which did not lead to a reduction of net population growth rates did cause measurable effects on live cells. This was mainly observed in cells within the live subpopulation as an increase of the EB fluorescence signal. We showed that SYT09/EB is a more useful combination of dyes than SYT09/PI because PI fluorescence tend to increase only when cells are effectively dead, but not so much in live cells (less then twofold). In contrast, EB geometric mean fluorescence in live cells increased up to eightfold after exposure to toxic compounds. All compounds even at the lowest concentration caused a measurable increase in EB geometric mean fluorescence especially after 2 h incubation time. This effect was found to be transient for cells exposed to 2CBP and 4CP, but chronic for cells incubated with TD and NAH (ultimately leading to cell death). In order to understand the mechanism underlying the observed effects we used known membrane or energy uncouplers. The pattern of EB signal increase in chemical-exposed populations resembled mostly that of EDTA, although EB fluorescence in EDTA-treated or pasteurized cells was even higher than after exposure to the four test chemicals. We conclude that the ability of cells to efflux EB under equilibrium conditions is an appropriate measure for the potential of a chemical to exert toxicity. Since most bacterial species possess efflux systems for EB that all require cellular energy, our test should be more widely relevant to infer toxicity effects of chemical exposure on the physiological status of the bacterial cell. To better understand the effect of toxicant exposure on efflux defense systems, we studied 2-hydroxybiphenyl toxicity to Pseudomonas azeiaica HBP1. We showed that 2-HBP exerts toxicity even to P. azelaica HBP1, but only at concentrations higher than 0.5 mM. Above this concentration transient loss of membrane polarization and integrity occurred, which we conclude from staining of growing cells with fluorescent dyes. Cells finally recover and resume growth on 2HBP. The high resistance of P. azelaica HBP1 to 2-HBP was found to be the result of an efficient MexABOprM- type efflux pump system counteracting passive influx of this compound into the membrane and cellular interior. Mutants with disrupted mexA, mexB and oprM genes did no longer grow on 2-HBP at concentrations above 100 μΜ, whereas below this concentration we found 2-HBP-concentration dependent decrease of growth rate. The MexAB-OprM system in P. azeiaica HBP1 is indeed an efflux pump for ethidium bromide as well. By introducing gfp reporter fusions responsive to intracellular 2- HBP concentrations into HBP1 wild-type or the mutants we demonstrated that 2HBP enters into the cells in a similar way. In contrast, the reporter system in the wild-type cells does not react to 2-HBP at an outside concentration of 2.4 μΜ, whereas in mutant cells it does. This suggests that wild-type cells pump 2-HBP to the outside very effectively preventing accumulation of 2-HBP. 2HBP metabolism, therefore, is not efficient enough to lower the intracellular concentration and prevent toxicity. We conclude that P. azelaica HBP1 resistance to 2-HBP is mainly due to an efficient efflux system and that 2HBP in high concentrations exerts narcotic effects on the bacterial membrane. In the part of this thesis, we investigated the possibilities of bacteria to degrade pollutants at low concentrations (1 mg per L and below). As test components we used 2-hydroxybiphenyl, antibiotics and a variety of fragrances, many of which are known to be difficult to biodegrade. By using accurate counting of low numbers of bacterial cells we could demonstrate that specific growth on these compounds is possible. We demonstrated the accuracy of FC counting at low cell numbers (down to 103 bacterial cells per ml). Then we tested whether bacterial population growth could be specifically monitored at the expense of low substrate concentrations, us¬ing P. azelaica HBP1. A perfect relationship was found between growth rate, yield and 2-HBP concentrations in the range of 0.1 up to 5 mg per L. Mixing P. azelaica within sludge, however, suggested that growth yields in a mixed community can be much lower than in pure culture, perhaps because of loss of metabolic intermediates. We then isolated new strains from activated sludge using 2-HBP or antibiotics (Nal, AMP, SMX) at low concentrations (0.1-1 mg per L) as sole carbon and energy sub¬strate and PAO microdishes. The purified strains were then examined for growth on their respective substrate, which interestingly, showed that all strains can not with¬stand higher than 1 or 10 mg per L concentrations of target substrate. Thus, bacteria must exist that contribute to compound degradation at low pollutant concentrations but are inhibited at higher concentrations. Finally we tested whether specific biomass growth (in number of cells) at the expense of pollutants can also be detected with communities as starting material. Hereto, we focused on a number of fragrance chemicals and measured community biomass increase by flow cytometry cell counting on two distinct starter communities: (i) diluted Lake Geneva water, and dilute activated sludge from a wastewater treatment plant. We observed that most of the test compounds indeed resulted in significant biomass increase in the starter community compared to a no-carbon added control, but activated sludge and lake Geneva water strongly differed (almost mutually ex¬clusive) in their capacity to degrade the test chemicals. In two cases for activated sludge the same type of microbial community developed upon compound exposure, as concluded from transcription fragment length polymorphism analysis on community purified and PCR amplified 16S rRNA gene fragments. To properly test compound biodegradability it is thus important to use starter communities of different origin. We conclude that FC counting can be a valuable tool to screen chemicals for their biodegradability and toxicity. - Des milliers de produits chimiques sont libérés dans l'environnement mais beaucoup ont des effets inconnus, en particulier à basses concentrations. Ce travail de thèse contribue à notre comprehension des effets de la pollution en utilisant des bacteries comme des organismes-tests. Les bacteries sont importantes pour etudier cette ques¬tion car certaines d'entre elles peuvent degrader ou transformer les polluants, mais également parce qu'elles-mmes peuvent tre inhibees dans leur reproduction après avoit ete exposees à ces composes toxiques. Quand des effets inhibiteurs ont lieu, la composition de la communauté microbienne peut tre changee à long terme, ce qui mène à une reduction du service d'ecosystème offert par ces communautés. En consequence, après leur liberation dans l'environnement, les produits chimiques d'origine anthropogenique peuvent soit s'y accumuler et per¬sister, exerant ainsi des effets encore inconnus sur les organismes vivants. En plus d'acquérir des connaissances de base sur les effets des polluants à basses concentra¬tions sur les communautés microbiennes, un but applique de cette thèse était de développer des tests bases sur les bacteries afin d'identifier de nouveau composes pour leur toxicité ou leur biodégradation. Dans la première partie de ce travail, nous avons developpe un test base sur la cytometrie de flux (FC) sur des cellules de Pseudomonas fluorescens colorees par du bromure d'ethidium ou de l'iodure de propidium et exposees ou non à une palette de polluants sous des conditions de croissance oligotrophique. La cytometrie de flux est une technique qui connaît de nombreuses applications dans la microbiologie environ¬nementale. Cela est principalement du au fait qu'elle permet un comptage rapide et precis ainsi que l'évaluation de l'état physiologique, en particulier lorsqu'elle est combinée h des colorations fluorescentes. Ici, nous avons utilise la technique FC et des colorants fluorescents afin de mesurer l'effet que peuvent exercer certains pollu¬ants sur Pseudomonas ûuorescens SV3 . D'abord nous avons conu des tests oligo- trophiques qui nous permettent de suivre la croissance complète de cellules en culture h des densites faibles (104 -10 7 cellules par ml), sur de l'acetate de sodium à 0.1 mM, en presence ou absence de produits chimiques (2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalène (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), chlorure de mercure(II) (HgCl2)) à différentes concentrations. Afin de montrer le devenir des bacteries tant au niveau de la cellule individuelle que celui de la population globale, après exposition à des series de composes chimiques, nous avons compte les cellules colorees avec du SYT09 (col¬orant fluorescent vert des acides nucléiques pour la discrimination des cellules par rapport au bruit de fond) en combinaison avec l'iodure de propidium (PI) ou le bromure d'ethidium (EB), indicateurs de l'intégrité de la membrane cellulaire avec FC. Nous avons observe que de nombreux composes testes avaient un effet sur la croissance bacterienne, resultant en une baisse du taux de reproduction de la pop¬ulation. En outre, la double coloration que nous avons utilisee dans cette etude SYT09/PI ou SYT09/EB a montre que les produits chimiques testes induisaient une reponse heterogène des cellules dans la population, divisant celle-ci en sous- populations "saine", "endommagee" ou "morte". Les nombres de cellules à partir du comptage et de la proportion de celles "saines" et "endommagees/mortes" ont ensuite ete utilises pour modeliser la croissance de P. ûuorescens SV3 exposee aux produits chimiques. La reduction nette dans la croissance de population est une consequence du fait que de plus en plus de cellules sont incapables de se reproduire, plutt que du fait d'une croissance plus lente de l'ensemble de la population. De plus, la proportion de cellules endommagees est correllee au dosage du compose chimique. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que le test oligotrophique que nous avons developpe peut tre utilise pour l'évaluation de la toxicité de produits chimiques sur différents modèles bacteriens. Des tests multiples peuvent tre lances en parallèle et les effets sont mesures en l'espace de huit heures. Par ailleurs, nous en déduisons que les produits chimiques exercént un effet sur la croissance des cellules de P. ûuorescens SV3, qui est heterogène parmi les cellules dans la population et depend du produit chimique. Il est intéressant de noter que dans les mmes tests d'exposition avec P. ûuorescens SV3, nous avons observe que certains composes qui n'ont pas conduit à une reduction du taux de la croissance nette de la population, ont cause des effets mesurables sur les cellule saines. Ceci a ete essentiellement observe dans la portion "saine" des cellules en tant qu'augmentation du signal de la fluorescence de 1ΈΒ. D'abord nous avons montre que SYT09/EB était une com¬binaison de colorants plus utile que celle de SYT09/PI parce que la fluorescence du PI a tendance à augmenter uniquement lorsque les cellules sont effectivement mortes, et non pas dans les cellules saines (moins de deux fois plus). Par opposi¬tion, la fluorescence moyenne de l'EB dans les cellules saines augmente jusqu'à huit fois plus après exposition aux composes toxiques. Tous les composes, mme aux plus basses concentrations, induisent une augmentation mesurable de la fluorescence moy¬enne de 1ΈΒ, plus particulièrement après deux heures d'incubation. Cet effet s'est revele tre transitoire pour les cellules exposees aux 2CNP et 4CP, mais est chro¬nique pour les cellules incubees avec le TD et le NAH (entranant la mort cellulaire). Afin de comprendre les mécanismes qui sous-tendent les effets observes, nous avons utilise des decoupleurs d'energie ou de membrane. L'augmentation du signal EB dans les populations causee par des produits chimiques ressemblait à celle exerce par le chelateur des ions divalents EDTA. Cependant, les intensités du signal EB des cellules exposees aux produits chimiques testees n'ont jamais atteint les valeurs des cellules traitees avec l'EDTA ou pasteurises. Nous en concluons que le test oli- gotrophique utilisant la coloration (SYT09/)EB des cellules exposees ou non à un produit chimique est utile afin d'evaluer l'effet toxique exerce par les polluants sur la physiologie bacterienne. Afin de mieux comprendre la reaction d'un système de defense par pompe à efflux après exposition à une toxine, nous avons étudié la toxicité du 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) sur Pseudomonas azeiaica HBP1. Nous avons montre que le 2-HBP exerce une toxicité mme sur HBP1, mais uniquement à des concentrations supérieures à 0.5 mM. Au-dessus de cette concentration, des pertes transitoires d'intégrité et de polarization membranaire ont lieu, comme cela nous a ete montre par coloration des cellules en croissance. Les cellules sont finalement capables de se rétablir et de reprendre leur croissance sur 2-HBP. La forte resistance de P. azeiaica HBP1 h 2-HBP physiologie bacterienne s'est revele tre le résultat d'un système de pompe h efflux de type MexABOprM qui contre-balance l'influx passif de ce compose h travers la membrane. Nous avons montre, en construisant des mutants avec des insertions dans les gènes mexA, mexB and oprM et des fusions avec le gène rapporteur gfp, que l'altération de n'importe quelle partie du système d'efflux conduisait à accroître l'accumulation de 2-HBP dans la cellule, en comparaison avec la souche sauvage HBP1, provoquant une diminution de la resistance au 2-HBP ainsi qu'une baisse du taux de reproduction des cellules. Des systèmes d'efflux similaires sont répandus chez de nombreuses espèces bactériennes. Ils seraient responsables de la resistance aux produits chimiques tels que les colorants fluorescents (bromure d'ethidium) et des antibiotiques. Nous concluons que la resistance de P. azelaica HBP1 à 2-HBP est principalement due à un système d'efflux efficace et que 2-HBP, à des concentrations elevees, exerce un effet deletère sur la membrane bacterienne. En se basant sur le comptage des cellules avec la FC, nous avons developpe ensuite une methode pour evaluer la biodegradabilite de polluants tels que le 2-HBP ainsi que les antibiotiques (acide nalidixique (Nal), ampicilline (AMP) ou sulfamethoxazole (SMX)) à de faibles concentrations lmg par L et moins), par le suivi de la croissance spécifique sur le compose de cultures microbiennes pures et mixtes. En utilisant un comptage precis de faibles quantités de cellules nous avons pu demontrer que la croissance spécifique sur ces composes est possible. Nous avons pu illustrer la precision du comptage par cytometrie de flux à faible quantité de cellules (jusqu'à 10 3 cellules par ml). Ensuite, nous avons teste s'il était possible de suivre dynamiquement la croissance de la population de cellules sur faibles concentrations de substrats, en utilisant P. azelaica HBP1. Une relation parfaite a ete trouvee entre le taux de croissance, le rendement et les concentrations de 2-HBP (entre 0.1 et 5 mg par L). En mélangeant HBP1 à de la boue active, nous avons pu montrer que le rendement en communauté mixtes pouvait tre bien inférieur qu'en culture pure. Ceci étant peut tre le résultat d'une perte d'intermédiaires métaboliques. Nous avons ensuite isole de nouvelles souches à partir de la boue active en utilisant le 2-HBP ou des antibiotiques (Nal, AMP, SMX) h basses concentrations (0.1-1 mg par L) comme seules sources de carbone et d'energie. En combinaison avec ceci, nous avons également utilise des microplaques PAO. Les souches purifiees ont ensuite ete examinees pour leurs croissances sur leurs substrats respectifs. De faon intéressante, toutes ces souches ont montre qu'elles ne pouvaient pas survivre à des concentrations de substrats supérieures à 1 ou 10 mg par L. Ainsi, il existe des bacteries qui contribuent à la degradation de composes à basses concentrations de polluant mais sont inhibes lorsque ces concentrations deviennent plus hautes. Finalement, nous avons cherche à savoir s'il est possible de detecter une croissance spécifique à une biomasse au depend d'un polluant, en partant d'une communauté microbienne. Ainsi, nous nous sommes concentre sur certains composes et avons mesure l'augmentation de la biomasse d'une communauté grce à la cytometrie de flux. Nous avons compte deux communautés de depart distinctes: (i) une dilution d'eau du Lac Léman, et une dilution de boue active d'une station d'épuration. Nous avons observe que la plupart des composes testes ont entrane une augmentation de la biomasse de depart par rapport au control sans addition de source de carbone. Néanmoins, les échantillons du lac Léman et de la station d'épuration différaient largement (s'excluant mutuellement l'un l'autre) dans leur capacité à degrader les composes chimiques. Dans deux cas provenant de la station d'épuration, le mme type de communauté microbienne s'est developpe après exposition aux composes, comme l'a démontré l'analyse TRFLP sur les fragments d'ARN 16S purifie de la communauté et amplifie par PCR. Afin de tester correctement la biodegradabilite d'un compose, il est donc important d'utiliser des communautés de depart de différentes origines Nous en concluons que le comptage par cytometrie de flux peut tre un outil de grande utilité pour mettre en valeur la biodegradabillite et la toxicité des composes chimiques.

Rôle des molécules de co-stimulations et de CD93 dans la différenciation en plasmocytes

Le développement des cellules B est constitué d'une première phase qui se déroule dans la moelle en absence d'antigène et d'une deuxième phase qui se déroule dans les organes lymphoïdes secondaires et qui débute uniquement en présence d'antigène. Cette deuxième partie est extrêmement importante et doit être très bien régulée pour lutter efficacement contre les pathogènes, ainsi que pour éviter de nombreuses maladies de type auto-immunes. Ce travail est basé à l'origine sur l'étude de souris mutantes dans lesquelles une protéine des cellules T est modifiée, impliquant une très forte activation des cellules B en absence d'antigène et de manière non spécifique. Ces souris constituent donc un outil de travail très intéressant pour étudier tout d'abord le mécanisme aboutissant à l'activation des cellules B dans ce contexte particulier. De plus comme ces souris contiennent énormément de cellules sécrétant des anticorps, à savoir les plasmocytes, il est facile d'étudier leur phénotype. Cela nous a permis de démontrer qu'un récepteur membranaire, CD93 est exprimé à leur surface. Cette observation a ensuite été confirmée dans des souris normales, de type sauvage. L'utilisation de ce marqueur de surface nous a permis de caractériser plus en détail les étapes du développement des plasmocytes. De plus nous avons tenté de trouver la fonction jouée par cette molécule à la surface de ces cellules, en utilisant des souris dans lesquelles ce récepteur a été supprimé. Si les premières étapes de l'activation des cellules B étaient normales, ces souris n'étaient par contre pas capables de produire des anticorps à long-terme dans le sang. Nous avons pu montrer que la survie des plasmocytes en l'absence de CD93 est moins efficace dans la moelle, probablement du au fait qu'en absence de cette molécule, les plasmocytes ont plus de difficultés à adhérer dans ce que l'on appelle des niches de survie. Nous avons essayé ensuite de déterminer si CD93 peut être utilisé comme cible thérapeutique dans le cadre de maladies auto-immunes ou de lymphomes. Bien que CD93 soit exprimé à la surface des cellules d'intérêt dans les souris souffrant de lupus, il n'a pas été possible de les éliminer avec un anticorps dirigé contre CD93. De plus nous n'avons pas pu mettre en évidence l'expression de CD93 à la surface des plasmocytes humains induits in vitro. SUMMARY : Antigen dependent B cell activation is a key aspect of the adaptive immunity which is involved in the efficient response against pathogens, but also in vaccination and in numerous pathologies. The aim of this project was to investigate two key aspects of the late B cell development, namely the role of costimulatory molecules in the immunological synapse between T and B cells and the characterization of a new plasma cell marker, CD93. This work was initially based on the study of the LatY136F mutant mouse. The latter harbors a point mutation in the LAT adaptor protein which is involved in T cell receptor signaling. As a consequence of this mutation, CD4 T cells in the periphery expand strongly and are polarized in a TH2 manner leading to a normal but exaggerated B cell response. For this reason, these mice provide a useful tool to investigate different aspects of the late B cell development. The first part of the project was focused on the role played by costimulatory molecules in LotY136F CD4 T cell mediated B cell activation. In vitro studies showed that CD80/CD86, IL-4 and LFA-1 were required for LatY136FT cells to activate B cells whereas CD40 and IcosL were not necessary. In vivo we showed that CD80/CD86 was required for initial T cell expansion whereas CD40 and IcosL deficiency led to a less efficient B cell activation. The large amount of plasma cells present in LatY136F mice allows investigating in more details their phenotype and CD93 was found to be expressed on their surface, This observation was confirmed in wild type B cells activated either in vivo or in vitro with T-independent or T-dependent antigens. Moreover we found that CD93 expression can occur either before CD138/Blimp-1 induction or after, showing that two independent pathways can lead to the formation of CD93/CD138 double positive population, which was shown to be the more mature. Indeed, their phenotype correlated with modified transcriptional network, high isotype switched antibody secretion and cell cycle arrest. Analysis of CD93 deficient mice demonstrated that the initial B cell activation after immunization was normal, but also showed that these mice failed to maintain a high antibody secretion level at later time points both after primary and boost immunization. This was shown to be due to a less efficient survival of the long-lived plasma cells in the bone marrow niches, most likely related with a defective adhesion process in absence of CD93. We investigated the possibility to use CD93 as a target to treat plasma cell pathologies, but even if this molecule is expressed on cells of interest in the bone marrow of lupus mice, it was not possible to deplete them using anti-CD93 antibodies. Moreover we were not able to show its expression on the surface of in vitro activated B cells and multiple myeloma cell lines of human origin. In conclusion, our data helped understand both the mechanisms leading to the polyclonal B cell activation occurring in the LatY136F KI mouse and the role played by CD93 on the surface of plasma cells, which could potentially open the way to therapeutic application.

Role of CD8 in aberrant function of cytotoxic T lymphocytes.

Using H-2Kd-restricted photoprobe-specific cytotoxic T lymphocyte (CTL) clones, which permit assessment of T cell receptor (TCR)-ligand interactions by TCR photoaffinity labeling, we observed that the efficiency of antigen recognition by CTL was critically dependent on the half-life of TCR-ligand complexes. We show here that antigen recognition by CTL is essentially determined by the frequency of serial TCR engagement, except for very rapid dissociations, which resulted in aberrant TCR signaling and antagonism. Thus agonists that were efficiently recognized exhibited rapid TCR-ligand complex dissociation, and hence a high frequency of serial TCR engagement, whereas the opposite was true for weak agonists. Surprisingly, these differences were largely accounted for by the coreceptor CD8. While it was known that CD8 substantially decreases TCR-ligand complex dissociation, we observed in this study that this effect varied considerably among ligand variants, indicating that epitope modifications can alter the CD8 contribution to TCR-ligand binding, and hence the efficiency of antigen recognition by CTL.

Transgenic expression of Ly49A on T cells impairs a specific antitumor response.

Inhibitory MHC receptors determine the reactivity and specificity of NK cells. These receptors can also regulate T cells by modulating TCR-induced effector functions such as cytotoxicity, cytokine production, and proliferation. Here we have assessed the capacity of mouse T cells expressing the inhibitory MHC class I receptor Ly49A to respond to a well-defined tumor Ag in vivo using Ly49A transgenic mice. We find that the presence of Ly49A on the vast majority of lymphocytes prevents the development of a significant Ag-specific CD8+ T cell response and, consequently, the rejection of the tumor. Despite minor alterations in the TCR repertoire of CD8+ T cells in the transgenic lines, precursors of functional tumor-specific CD8+ T cells exist but could not be activated most likely due to a lack of appropriate CD4+ T cell help. Surprisingly, all of these effects are observed in the absence of a known ligand for the Ly49A receptor as defined by its ability to regulate NK cell function. Indeed, we found that the above effects on T cells may be based on a weak interaction of Ly49A with Kb or Db class I molecules. Thus, our data demonstrate that enforced expression of a Ly49A receptor on conventional T cells prevents a specific immune response in vivo and suggest that the functions of T and NK cells are differentially sensitive to the presence of inhibitory MHC class I receptors.

Soluble MHC-peptide complexes containing long rigid linkers abolish CTL-mediated cytotoxicity.

Soluble MHC-peptide (pMHC) complexes induce intracellular calcium mobilization, diverse phosphorylation events, and death of CD8+ CTL, given that they are at least dimeric and co-engage CD8. By testing dimeric, tetrameric, and octameric pMHC complexes containing spacers of different lengths, we show that their ability to activate CTL decreases as the distance between their subunit MHC complexes increases. Remarkably, pMHC complexes containing long rigid polyproline spacers (> or =80 A) inhibit target cell killing by cloned S14 CTL in a dose- and valence-dependent manner. Long octameric pMHC complexes abolished target cell lysis, even very strong lysis, at nanomolar concentrations. By contrast, an altered peptide ligand antagonist was only weakly inhibitory and only at high concentrations. Long D(b)-gp33 complexes strongly and specifically inhibited the D(b)-restricted lymphocytic choriomeningitis virus CTL response in vitro and in vivo. We show that complications related to transfer of peptide from soluble to cell-associated MHC molecules can be circumvented by using covalent pMHC complexes. Long pMHC complexes efficiently inhibited CTL target cell conjugate formation by interfering with TCR-mediated activation of LFA-1. Such reagents provide a new and powerful means to inhibit Ag-specific CTL responses and hence should be useful to blunt autoimmune disorders such as diabetes type I.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.

Rapid death and regeneration of NKT cells in anti-CD3epsilon- or IL-12-treated mice: a major role for bone marrow in NKT cell homeostasis.

Natural killer T (NKT) cells express a T cell receptor (TCR) and markers common to NK cells, including NK1.1. In vivo, NKT cells are triggered by anti-CD3epsilon MAb to rapidly produce large amounts of IL-4 and by IL-12 to reject tumors. We show here that anti-CD3epsilon MAb treatment rapidly depletes the liver (and partially the spleen) of NKT cells and that homeostasis is achieved 1 to 2 days later via NKT cell proliferation that occurs mainly in bone marrow. Similar results were obtained in mice treated with IL-12. Collectively, our data demonstrate that peripheral NKT cells are highly sensitive to activation-induced cell death and that bone marrow plays a major role in restoring NKT cell homeostasis.

Role of hepatocyte wounding on " Plasmodium " liver-stage development and survival

RESUME La première étape primordiale au cycle de vie du Plasmodium dans un hôte mammifère est l'invasion des hepatocytes par des sporozoites. L'infection finale des hepatocytes est précédée de la traversée de plusieurs cellules hôtes, rompant les membranes plasmiques et ayant comme résultat la sécrétion des facteurs cytotoliques dans le micro-environnement. Ce matériel endogène libéré est fortement stimulant/immunogène et peut servir de signal de danger initiant des réponses distinctes dans diverses cellules. De nos jours, le caractère essentiel et salutaire de la migration des sporozoites comme étape d'infection du Plasmodium est vivement controversée. Ainsi, notre étude a visé à caractériser l'effet de l'interaction du parasite avec ses cellules hôtes d'un point de vue immunologique. En particulier, nous avons voulu évaluer l'effet de la perte de matériel cellulaire pendant l'infection de Plasmodium sur les hepatocytes primaires de souris et sur des cultures cellulaires HepG2. Nous avons observé que les facteurs cytotoxiques dérivés des cellules endommagés activent NF-κB - un important régulateur de réponse inflammatoires -dans des cellules voisines des cellules endommagés, qui sont des cellules hôtes potentielles pour l'infection finale du parasite. Cette activation de NF-κB s'est produite peu de temps après l'infection et a mené in vitro et in vivo à une réduction d'infection de façon dépendante du temps, un effet qui a pu être compensé par l'addition de BAY11-7082, un inhibiteur spécifique de NF-κB. De plus, aucune activation de NF-κB avec des parasites SPECT-/-, incapables de traverser les hepatocytes, n'a été observée. Nous avons montré parla suite que l'activation de NF-κB induit l'expression de l'enzyme iNOS dans les hepatocytes, qui est responsable d'une diminution des hepatocytes infectés. En outre, les hepatocytes primaires des souris MyD88-/- n'ont montré ni activation de NF-κB, ni expression d'iNOS lors de l'infection, ce qui suggère la participation des membres de famille du Toll/IL-1 récepteur dans la reconnaissance des facteurs cytosoxiques. En effet, le manque de MyD88 a augmenté significativement l'infection in vitro et in vivo. D'autre part, un rôle bénéfique pour l'activation de NF-κB a été évalué. Les cellules infectées étaient plus résistantes contre l'apoptose induite par Fas (CD95/Apo-1) que les cellules non infectées ou les cellules infectées dans lesquelles NF-κB a été bloqué par BAY11-7082 in vitro. Paradoxalement, l'expression d'iNOS contribue à la protection des cellules infectées contre l'apoptose pax Fas, puisque le traitement avec l'inhibiteur spécifique SMT (S-methylisothiourea) a rendu les cellules infectées plus susceptibles à l'apoptose. Un effet bénéfique additionnel pour le parasite est que la plupart des cellules hôtes traversées présentent des peptides du parasite aux cellules T cytotoxiques spécifiques et peuvent donc réorienter la réaction immune spécifique sur les cellules non infectées. Nous montrons que les cellules hôtes endommagés par la migration du parasite induit l'inflammation, qui limite l'ampleur de l'infection. D'autre part, nos données soutiennent que la survie du parasite Plasmodium dans le foie est assurée par une augmentation de la résistance des hepatocytes contre l'apoptose. SUMMARY The first obligatory step of the Plasmodium life cycle in the mammalian host is the invasion of hepatocytes by sporozoites. Final hepatocyte infection involves the penetration of several host cells, whose plasma membranes are ruptured in the process, resulting in the release of cytosolic factors into the microenvironment. This released endogenous material is highly stimulatory / immunogenic and can serve as a danger signal initiating distinct responses in various cells. To date, it is highly controversial whether sporozoite migration through hepatocytes is an essential and beneficial step for Plasmodium infection. Thus, our study aimed at characterizing the effect of the interaction of the parasite with its host cells from an immunological point of view In particular, we wanted to evaluate the effect of cell material leakage during Plasmodium infection on cultured mouse primary hepatocytes and HepG2 cells. We observed that wounded cell-derived cytosolic factors activate NF-κB - a main regulator of host inflammatory responses - in cells bordering wounded cells, which are potential host cells for final parasite infection. This activation of NF-κB occurred shortly after infection and led to a reduction of infection load in a time dependent manner in vitro and in viva, an effect that could be reverted by addition of the specific NF-κB inhibitor BAY11-7082. In addition, no NF-κB activation was observed when SPECT-/- parasites, which are devoid of hepatocyte traversing properties, were used. We provide further evidence that NF-κB activation causes the induction of inducible nitric oxide synthase (iNOS) expression in hepatocytes, and this is, in turn, responsible for a decrease in Plasmodium-infected hepatocytes. Furthermore, primary hepatocytes from MyD88-/- mice showed no NF-κB activation and iNOS expression upon infection, suggesting a role of the Toll/IL-1 receptor family members in sensing cytosolic factors. Indeed, lack of MyD88 significantly increased infection in vitro and in vivo. In a further complementary series of experiments, we assessed a possible beneficial role for the activation of NF-κB. Infected cells were more resistant to Fas (CD95/Apo-1)-mediated apoptosis than uninfected cells or infected cells in which NF-κB was blocked by BAYl1-7082 in vitro. Paradoxically, iNOS expression contributes to the protection of infected cells from Fas-induced apoptosis, since treatment with the specific iNOS inhibitor SMT (S-Methylisothiourea Sulfate) rendered the infected cells more susceptible to apoptosis. An additional beneficial effect of host cell traversal for the parasite is the fact that mainly traversed cells present parasite-derived peptides to specific cytotoxic T cells and therefore may redirect the specific immune response to uninfected cells. In summary, we have shown that host cells wounded by parasite migration induce inflammation, which limits the extent of parasite infection. In addition, our data support the notion that survival of Plasmodium parasites in the liver is mediated by increasing the resistance of hepatocytes to Fas-induced apoptosis.

Role of the REST/RE-1 system in beta-cell life, function and differentiation

SUMMARYDiabetes is characterized by insulin deficiency that results from the destruction of insulin-secreting pancreatic beta-cells (Type 1), or in part from beta-cell death and insulin secretion defects (Type 2). Therefore, understanding the mechanisms of beta cell neogenesis (to generate unlimited supply of beta cells for T1D transplantation] or identifying the specific genes that favors insulin secretion or beta-cell survival is of great importance for the management of diabetes. The transcriptional repressor RE-1 Silencing Transcription Factor (REST) restricts the expression of a large number of genes containing its binding element, called Repressor Element-1 (RE-1), to neurons and beta cells. To do so, REST is ubiquitously expressed but in neurons and beta cells. To identify these essential genes and their functional significance in beta cells, we have generated transgenic mice that express REST specifically in beta cells under the control of the rat insulin promoter (RIP-REST mice). This resulted in the repression of the RE-1- containing genes in beta cells, and we analyzed the consequences.We first showed that RIP-REST mice were glucose-intolerant because of a defective insulin secretion. To explain this defect, we identified that a subset of the REST target genes were necessary for insulin exocytosis, such as Snap25, Synaptotagmin (Syt) IX, Complexin II, and Ica512, and we further demonstrated that among the identified REST targets, Syt IV and VII were also involved in insulin release. We next analyzed a novel RIP-REST mouse line that featured diabetes and we showed that this defect was due to a major loss of beta-cell mass. To explain this phenotype, we identified REST target genes that were involved in beta-cell survival, such as Ibl, Irs2, Ica512 and Connexin36, and revealed that another REST target, Cdk5r2 is also involved in beta-cell protection. In a third part, we finally suggest that REST may be important for pancreatic endocrine differentiation, since transgenic mice expressing constitutive REST in pancreatic multipotent progenitors show impaired formation of Ngn3-expressing endocrine- committed precursors, and impaired formation of differentiated endocrine cells. Mapping the pattern of REST expression in wild type animals indicates that it is expressed in multipotent progenitors to become then excluded from endocrine cells. Preliminary results suggest that a downregulation of REST would result in relieved expression of at least the Mytl target, favoring subsequent acquisition of the endocrine competence by endocrine precursor cells.Thus, we propose that the REST/RE-1 system is an important feature for beta-cell neogenesis, function and survivalRESUMELe diabète se caractérise par une déficience en insuline qui résulte d'une destruction des cellules bêta (β) pancréatiques sécrétant l'insuline [Type 1], ou à un défaut de sécrétion d'insuline qui peut être associé à la mort des cellules β (Type 2). La compréhension des mécanismes de néogenèse des cellules β, ainsi que l'identification de gènes impliqués dans leur survie et dans le contrôle de la sécrétion d'insuline est donc importante pour le traitement du diabète. Le facteur de transcription de type répresseur, RE-1 Silencing Transcription Factor [REST], contribue à la spécificité d'expression dans les neurones et les cellules β, d'un grand nombre de gènes portant son motif de fixation, le Repressor Element-1 (RE-1). Pour cela, REST est exprimé dans toutes les cellules, sauf dans les neurones et les cellules β. Afin d'identifier les gènes cibles de REST ainsi que leur fonction au sein de la cellule β, nous avons généré des souris transgéniques qui expriment REST spécifiquement dans ces cellules, sous la dépendance du promoteur de l'insuline (souris RIP-REST]. Cette expression ectopique de REST a permis de diminuer l'expression des gènes contrôlés par REST, et d'en analyser les conséquences. Nous avons montré que les souris RIP-REST étaient intolérantes au glucose et que ceci était du à un défaut de sécrétion d'insuline. Pour expliquer ce phénotype, nous avons mis en évidence le fait que des gènes cibles de REST codent pour des protéines importantes pour l'exocytose de l'insuline, comme SNAP25, Synaptotagmin (Syt) IX, Complexin II ou ICA512. De plus, nous avons découvert deux nouvelles cibles de REST impliquées dans la sécrétion d'insuline, Syt IV et Syt VII. Par la suite, nous avons démontré qu'une nouvelle lignée de souris RIP-REST étaient atteintes d'un diabète sévère à cause d'une perte massive des cellules β. La disparition de ces cellules a été expliquée par l'identification de gènes cibles de REST impliqués dans la survie des cellules β, comme Ibl, Irs2, Ica512 ou la Connexine36. De plus, nous avons découvert qu'une nouvelle cible, Cdk5r2, était aussi impliquée dans la survie des cellules β. Dans une dernière partie, nous suggérons, grâce à l'analyse de nouvelles souris transgéniques exprimant constitutivement REST dans les cellules progénitrices du pancréas embryonnaire, que REST empêche la formation des précurseurs de cellules endocrines ainsi que la différenciation de ces cellules. L'analyse de l'expression de REST au cours du développement embryonnaire du pancréas indique que la diminution de l'expression de REST conduit en partie, à l'induction d'un de ses gènes cible Mytl, qui favorise la formation de précurseurs endocrines. Nous proposons donc que le système REST/RE-1 est important pour la génération, la fonction et la survie des cellules β.

Generation and function of mouse central memory and effector memory T cells

1. SUMMARY Based on functional and homing properties, two subsets of memory T lymphocytes have been defined both in humans and in mice. Central memory T cells (TCM cells) express the lymph node homing receptors CD62L and CCR7, have poor effector function and proliferate efficiently upon antigenic stimulation. Effector memory T cells (TEM cells) do not express CCR7, are mostly CD62L negative and therefore are excluded from lymph nodes, but are able to migrate to sites of inflammation where they exert immediate effector function by producing inflammatory cytokines and cytotoxic mediators. In the present work we have addressed two questions that emerged since the definition of TCM and TEM cells. Firstly, what are the priming conditions for generation of TCM and TEM and, secondly, what is the migratory capacity of TCM and TEM cells in inflammatory conditions. By using naive TCR-transgenic OT-I CD8+ T cells and OT-II CD4+ T cells and ovalbumin pulsed-mature dendritic cells (DCs) we set up an in vitro system in which the strength of T cell stimulation is controlled by varying the ratio of T cells and DCs and the duration of DC-T cell interaction. Using this system we found that precursors of TCM and TEM cells are generated at different strength of stimulation and that T cells capable of persisting in vivo in the absence of antigen and of mounting recall responses is optimally induced by intermediate stimulatory strength. In addition, we found that lymph nodes draining sites of mature DC or adjuvant inoculation recruit CD8+ CD62L- CCR7- effector and TEM cells. CD8+ T cell recruitment in reactive lymph nodes requires CXCR3 expression on T cells and occurs through high endothelial venules (HEVs) in concert with HEV lurninal expression of the CXCR3 ligand CXCL9. In reactive lymph nodes, recruited T cells establish stable interactions with and kill antigen-bearing DCs, limiting the ability of these DCs to activate CD4+ and CD8+ T cells. Taken togther these data define conditions for the generation of TCM and TEM cells and define an inflammatory pathway of effector T cell migration in lymph nodes. The inducible recruitment of blood-borne effector and TEM CD8+ cells to lymph nodes may represent a mechanism for terminating primary and limiting secondary immune responses.