Using parthenogenetic lineages to identify advantages of sex

The overwhelming predominance of sexual reproduction in nature is surprising given that sex is expected to confer profound costs in terms of production of males and the breakup of beneficial allele combinations. Recognition of these theoretical costs was the inspiration for a large body of empirical research-typically focused on comparing sexual and asexual organisms, lineages, or genomes-dedicated to identifying the advantages and maintenance of sex in natural populations. Despite these efforts, why sex is so common remains unclear. Here, we argue that we can generate general insights into the advantages of sex by taking advantage of parthenogenetic taxa that differ in such characteristics as meiotic versus mitotic offspring production, ploidy level, and single versus multiple and hybrid versus non-hybrid origin. We begin by evaluating benefits that sex can confer via its effects on genetic linkage, diversity, and heterozygosity and outline how the three classes of benefits make different predictions for which type of parthenogenetic lineage would be favored over others. Next, we describe the type of parthenogenetic model system (if any) suitable for testing whether the hypothesized benefit might contribute to the maintenance of sex in natural populations, and suggest groups of organisms that fit the specifications. We conclude by discussing how empirical estimates of characteristics such as time since derivation and number of independent origins of asexual lineages from sexual ancestors, ploidy levels, and patterns of molecular evolution from representatives of these groups can be used to better understand which mechanisms maintain sex in natural populations.

Psychological correlates of childhood obesity.

To enhance the prevention and intervention efforts of childhood obesity, there is a strong need for the early detection of psychological factors contributing to its development and maintenance. Rather than a stable condition, childhood obesity represents a dynamic process, in which behavior, cognition and emotional regulation interact mutually with each other. Family structure and context, that is, parental and familial attitudes, activity, nutritional patterns as well as familial stress, have an important role with respect to the onset and maintenance of overweight and obesity. Behavioral and emotional problems are found in many, though not all, obese children, with a higher prevalence in clinical, treatment-seeking samples. The interrelatedness between obesity and psychological problems seems to be twofold, in that clinically meaningful psychological distress might foster weight gain and obesity may lead to psychosocial problems. The most frequently implicated psychosocial factors are externalizing (impulsivity and attention-deficit hyperactivity disorder) and internalizing (depression and anxiety) behavioral problems and uncontrolled eating behavior. These findings strengthen the need to further explore the interrelatedness between psychological problems and childhood obesity.

Visual management of sags and incidents gathered in distribution substations for power quality management

Monitor a distribution network implies working with a huge amount of data coining from the different elements that interact in the network. This paper presents a visualization tool that simplifies the task of searching the database for useful information applicable to fault management or preventive maintenance of the network

Similar patterns of local barn owl adaptation in the Middle East and Europe with respect to melanic coloration

The maintenance of phenotypic variation is a central question in evolutionary biology. A commonly suggested mechanism is that of local adaptation, whereby different phenotypes are adapted to alternative environmental conditions. A recent study in the European barn owl (Tyto alba) has shown that natural selection maintains a strong clinal variation in reddish pheomelanin-based coloration. Studies in the region where phenotypic variation in this owl is the highest in Europe have further demonstrated that dark-reddish and pale-reddish owls exploit open and wooded habitats, predate voles and wood mice, and are long-tailed and short-tailed, respectively. However, it remains unclear as to whether these traits evolved as a consequence of allopatric evolution of dark colour in northern Europe and white colour in southern Europe, during which owls could have also evolved different morphologies and foraging behaviour. This scenario implies that covariation between coloration and foraging behaviour could be a specificity of the European continent, which is not found in other worldwide-distributed populations. To investigate this issue we studied a barn owl population in the Middle East. Our results show that, as in Central Europe, dark-reddish female owls breed more often in the open landscape than their pale-reddish female conspecifics, their offspring are fed with more voles than Muridae, and they are longer-winged and longer-tailed. These findings indicate that in the barn owl the association in females between pheomelanin-based coloration and foraging behaviour and morphology is not restricted to the European continent but may well evolve in sympatry in many barn owl populations worldwide.

Conflict resolution and evolution of social structures in insect societies

In colonies of social Hymenoptera (which include all ants, as well as some wasp and bee species), only queens reproduce whereas workers generally perform other tasks. The evolution of worker's reproductive altruism can be explained by kin selection, which states that workers can indirectly transmit copies of their genes by helping the reproduction of relatives. The relatedness between queens and workers may however be low, particularly when there are multiple queens per colony, which limits the transmission of copies of workers genes and increases potential conflicts between colony members. In this thesis, we investigated the link between social structure variations and conflicts, and explored the mechanisms involved in variation of colony queen number in ants. According to kin selection, workers should rear the brood they are most related to. In social Hymenoptera, males are haploid whereas females (workers and queens) are diploid. As a result, workers can be up to three times more related to females than males in some colonies, where they should consequently favour the production of females. In contrast, queens are equally related to daughters and sons in all types of colonies and therefore should favour a balanced sex ratio. In a meta-analysis across all studies of social Hymenoptera, we showed that colony sex ratio is generally largely influenced by workers. Hence, the evolution of social structures where queens and workers are equally related to males and females may contribute to decrease the conflict between the two castes over colony sex ratio. Another conflict between queens and workers can occur over male production. Many species contain workers that still have the ability to lay haploid eggs. In some social structures, workers are on average more related to sons of queens than to sons of other workers. As a result, workers should eliminate worker-laid eggs to favour queen-laid eggs. We showed that in the ant Formica selysi, workers eliminate more worker-laid than queen-laid eggs, independently of colony social structure. These results therefore suggest that worker policing can evolve independently from relatedness, potentially because of costs of worker reproduction at the colony-level. Colony queen number is a key parameter that influences relatedness between group members. Queen body size is generally linked to the success of independent colony foundation by single queens and may influence the number of queens in the new colony. In the ant F. selysi, single-queen colonies produce larger queens than multiple-queen colonies. We showed that this association results from genes or maternal effects transmitted to the eggs. However, we also found that queens produced in colonies of the two social forms did not differ in their general ability to found new colonies independently. Queen body size may also influence queen dispersal ability and constrain small queens to be re-adopted in their original nest after mating at proximity. We tested the acceptance of new queens in another ant species, Formica paralugubris, which has numerous queens per colony. Our results show that workers do not discriminate between nestmate and foreign queens, and more generally accept new queens at a limited rate. To conclude, this thesis shows that mechanisms influencing variation in colony queen number and the influence of these changes on conflict resolution are complex. Data gathered in this thesis therefore constitute a solid background for further research on the evolution and the maintenance of complex organisations in insect societies.

Fine-scale genetic structure and marginal processes in an expanding population of Biscutella laevigata L. (Brassicaceae).

Evolutionary processes acting at the expanding margins of a species' range are still poorly understood. Genetic drift is considered prevalent in marginal populations, and the maintenance of genetic diversity during recolonization might seem puzzling. To investigate such processes, a fine-scale investigation of 219 individuals was performed within a population of Biscutella laevigata (Brassicaceae), located at the leading edge of its range. The survey used amplified fragment length polymorphisms (AFLPs). As commonly reported across the whole species distribution range, individual density and genetic diversity decreased along the local axis of recolonization of this expanding population, highlighting the enduring effect of the historical colonization on present-day diversity. The self-incompatibility system of the plant may have prevented local inbreeding in newly found patches and sustained genetic diversity by ensuring gene flow from established populations. Within the more continuously populated region, spatial analysis of genetic structure revealed restricted gene flow among individuals. The distribution of genotypes formed a mosaic of relatively homogenous patches within the continuous population. This pattern could be explained by a history of expansion by long-distance dispersal followed by fine-scale diffusion (that is, a stratified dispersal combination). The secondary contact among expanding patches apparently led to admixture among differentiated genotypes where they met (that is, a reshuffling effect). This type of dynamics could explain the maintenance of genetic diversity during recolonization.

Study of the SRR1-gene family in Arabidopsis, yeast and mouse cells

Abstract: Light is a very important environmental cue for plants. In addition to the energy for photosynthesis, it also provides information that is essential for many processes including seed germination, seedlings development, neighbours detection or transition from the vegetative to the reproductive state. Plants evolved different photoreceptors, among which the phytochromes (PHY), which are red/far-red photoreceptors. This family is composed of 5 members in Arabidopsis thaliana, among which phyB plays the major role for detection of red light. Phytochromes are also able to reset the phase of the circadian clock, which is composed of a complicated network of genes able to produce rhythms of about 24 hours, even in constant conditions. SRR1 (Sensitivity to Red light Reduced) is a gene that was shown to act in the phyB pathway as well as in the circadian clock. It was proposed to play a role in the maintenance of rhythms of the core oscillator because of the circadian phenotype of the srr1 mutant in constant light and in constant darkness. In the present study, we present data confirming the role of SRR1 in the core oscillator. Moreover, we show that SRR1 levels are not limiting for circadian rhythms nor for light perception. We show that the protein levels, the sub-cellular localisation or the complex in which SRR1 is found are not regulated in a circadian manner. Orthologues of SRR1 exist in numerous eukaryotes, forming a new gene family. None of the members of this family have been described. Here, we present data suggesting that the mouse orthologue of SRR1 may not be required for oscillation of the circadian clock of mouse cells in culture. The yeast gene (called BER1 for Benomyl REsistant) was studied to understand the biochemical function of this gene family. Based on synthetic genetic screens, a role of Ber1 was inferred in microtubules dynamics, N-terminal acetylation of protein and proteasome biogenesis. The effect of Ber1 on microtubules was confirmed by the observation that the ber1Δ mutant is more resistant to microtubule-depolymerising drugs and microscopic examination of microtubules in ber 1 Δ mutants. Complementation assays of ber1 Δ mutants and srrl mutants failed to reveal any obvious functional conservation of the mouse, yeast and Arabidopsis orthologues. In conclusion, the SRR1 family might encode genes that either plays different roles in different organisms, or have similar biochemical function but are involved in diverse pathway. Résumé: La lumière est un des facteurs abiotiques les plus important pour les plantes. En plus de l'énergie fournie pour la photosynthèse, elle fourni également de l'information nécessaire pour différents processus comme la germination, le développement des jeunes plantules, la détection de plantes avoisinantes ou encore la transition entre le développement végétatif et reproductif. Plusieurs types de photorécepteurs sont apparus chez les plantes au cours de l'évolution, notamment les phytochromes (PHI, qui perçoivent la lumière rouge et rouge lointaine. Cette famille est composé de 5 membres chez Arabidopsis thaliana, parmi lesquels phyB est le principal récepteur pour la lumière rouge. Les phytochromes sont aussi utiles pour la synchronisation entre les cycles jour-nuit dus à la rotation de la terre et l'horloge circadienne. Cette dernière est composée d'un réseau compliqué qui permet la production de rythmes capables de perdurer même en conditions constantes. SRRI (Sensitivity to Red light Reduced) est un gène qui agit dans la voie de signalisation de phyB ainsi que dans l'horloge circadienne. Il a été proposé que SRRI joue un rôle dans la maintenance des rythmes de l'oscillateur principal à cause des phénotypes circadiens du mutant srrl observés en lumière et en obscurité continue. Dans ce travail, nous présentons des données confirmant le rôle de SRR1 dans l'oscillateur principal. Nous montrons que les niveaux d'expression de SRRI ne sont pas limitants pour les rythmes circadiens ou la perception de la lumière. Enfin, nous montrons que le niveau d'accumulation de la protéine, sa localisation subcellulaire ou encore la taille du complexe dans lequel SRRl est trouvé ne sont pas régulés de façon circadiennes. Des orthologues de SRRI existent chez de nombreux eucaryotes, formant une nouvelle famille de gènes. Aucun des membres de cette famille n'a été étudié avant ce travail. Nous présentons des données suggérant que l'orthologue de la souris n'est peut-être pas requis pour les oscillations de l'horloge circadienne de cellules de souris en culture. Le gène de la levure (appelé SERI pour Benomyl REsistant) a été étudié afin de mieux comprendre la fonction biochimique de cette famille de gène. Une analyse par crible synthétique léthal a révélé un rôle de Ber1 dans la dynamique des microtubules, l'acétylation des protéines en N-terminal et la biogenèse du protéasome. L'effet de Ber1 sur les microtubules a été confirmé par l'observation du mutant ber1 en présence de drogue capable de dépolymériser les microtubules. Celui-ci est plus résistant à ces drogues que le type sauvage. Des expériences de complémentation n'ont pas montré de conservation de la fonction entre SRRI et ses homologues de souris ou de levure. En conclusion, la famille SRRI code pour des gènes qui pourraient avoir soit des rôles différents selon les organismes, soit la même fonction biochimique mais qui serait utile pour des voies de signalisation différentes.

Novel immunotherapeutic strategies against human papillomavirus type 16 (HPV 16) induced lesions and cervical cancer

RESUME Le cancer du col de l'utérus, deuxième cause de mort par cancer chez la femme, a pu être associé à une infection par plusieurs types de virus du Papillome Humain (HPV), et en particulier HPV 16. Les vaccins prophylactiques sont efficaces à prévenir le cancer du col utérin alors que les lésions de haut grade sont généralement traitées par ablation chirurgicale et par d'éventuels traitements additionnels. Les risques de récurrence liés aux ablations et le taux de mortalité (50%) lié au cancer, démontrent le besoin de développer des stratégies alternatives afin de cibler les lésions précancéreuses. A ce jour, les vaccins thérapeutiques ont démontré peu de résultats cliniques, contrastant avec les régressions de tumeurs ectopiques observées après vaccination dans des modèles murins avec tumeurs associées à HPV. L'induction de réponses immunitaires protectrices dans la muqueuse génitale semble être cruciale pour l'efficacité des vaccins thérapeutiques HPV et évaluer leur efficacité dans un modèle murin avec tumeurs-HPV génitales représente un pré-requis important avant de procéder à des études cliniques. Par conséquent, nous avons établi un modèle murin orthotopique où des tumeurs se développent dans (a muqueuse génitale après une instillation intra-vaginale (i.vag) de cellules tumorales exprimant les oncogènes E6/E7 d'HPV 16 et transduites par un vecteur lentiviral codant la luciferase afin de suivre le développement de ces tumeurs in vivo par imagerie. La caractérisation histologique a démontré que les tumeurs grandissaient dans l'épithélium vaginal et en accord avec leur localisation, des cellules Τ CD8 spécifiques à E7 induites par la tumeur n'étaient détectées que dans la muqueuse génitale et les ganglions drainants. Une infiltration de cellules Τ régulatrices a aussi été mise en évidence, empêchant la régression spontanée de ces tumeurs. Par conséquent, ce modèle devrait être plus adéquat pour tester des stratégies thérapeutiques, étant donné qu'il partage certaines similarités immunologiques avec les lésions génitales naturelles causées par HPV. Etant donné que les oncogènes E6 et E7 d'HPV sont nécessaires à la maintenance du phénotype cancéreux des cellules cervicales, elles représentent des antigènes cibles pour la vaccination thérapeutique. Nous avons démontré que des souris immunisées par voie sous-cutanée (s.c.) avec une dose d'un vaccin à base de polypeptide E7 d'HPV 16 et d'adjuvants, présentaient de nombreuses cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans leurs organes lymphatiques mais également dans la muqueuse génitale. De plus, le manque de corrélation entre les réponses spécifiques mesurées dans la périphérie et dans la muqueuse génitale souligne la nécessité et l'importance de déterminer les réponses immunitaires localement là où les lésions dues à HPV se développent. Si une vaccination par voie muqueuse est plus propice à traiter/régresser des infections génitales/tumeurs que le voie parentérale est un sujet débattu. Nos données montrent que seule la voie s.c. était capable de régresser la quasi totalité des tumeurs génitales chez la souris bien que des réponses CD8 spécifiques à E7 similaires étaient mesurées dans la muqueuse génitale après des vaccinations intra-nasale et i.vag. Afin d'augmenter la réponse spécifique au vaccin dans la muqueuse génitale, des immunostimulants ont été administrés par voie i.vag après vaccination. Nous avons démontré qu'une application i.vag d'agonistes des Toll like receptors après une vaccination s.c. induisait de manière significative une augmentation des cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans la muqueuse génitale. Plus précisément et concernant les CpG et Poly l:C, l'effet était probablement associé à une attraction locale des cellules Τ CD8 et deuxièmement dépendait respectivement des voies de signalisation TLR9 et TLR3/Mda5. Finalement, cette stratégie combinatoire a permis de régresser des grosses tumeurs génitales chez la souris, suggérant qu'une telle immunothérapie pourrait adéquatement traiter des lésions dues à HPV chez les femmes. SUMMARY Cervical cancer is the second leading cause of cancer mortality in women worldwide and results from an infection with a subset of Human Papillomavirus (HPV), HPV 16 representing the most prevalent type. The available prophylactic vaccines are an effective strategy to prevent cervical cancer while already established high grade lesions usually require surgical ablation of lesion with possible additional treatments. Recurrence risks linked to conventional ablations and the high mortality (50%) related to cervical cancer demonstrate the need for alternative strategies like immunotherapies to target pre¬cancerous lesions. Until now, therapeutic vaccines only showed limited clinical results, which strongly contrast with the regression of ectopic tumors observed in the available murine HPV tumor models after vaccination. Induction of protective immune responses in the genital mucosa (GM) may be crucial for efficacy of HPV therapeutic vaccines and evaluating their efficacy in a murine model with genital HPV- tumors represents an important prerequisite for clinical trials. Thus, we have here established an orthotopic mouse model where tumors in the GM develop after an intravaginal (i.vag) instillation of HPV 16 E6/E7 oncogenes-expressing tumor cells transduced with a luciferase encoding lentivirus vector for in vivo imaging of tumor growth. Histological characterization showed that tumor grew within the vaginal epithelium and according to their mucosal location tumor- induced E7-specific CD8 Τ cells were restricted to the GM and genital draining lymph nodes together with high Τ regulatory cells infiltrates preventing spontaneous regression. Consequently, sharing several immunological similarities with natural genital HPV lesions, this novel genital tumor model may be more adequate to test therapeutic strategies. As E6 and/or E7 HPV oncogenes expression is required for the maintenance of the cancerous phenotype of cervical cells, they represent target antigens for therapeutic vaccination. We reported that mice subcutaneously (s.c.) immunized once with an adjuvanted HPV 16 E7 polypeptide vaccine harbored high E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in their lymphoid organs and more importantly in the GM. In addition, the lack of correlation between specific responses measured in the periphery with those measured in the GM highlighted the necessity and relevance to determine the immune responses locally where HPV 16-induced lesions develop. Whether a mucosal route of immunization is better to treat/regress genital infections/tumors than parenteral immunization is still debated. Our data shows that although similar E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells responses were measured in the GM upon mucosal routes of E7 vaccine delivery (nasal and vaginal immunizations), only the s.c immunization was able to regress at least all genital tumors in mice. To further increase the vaccine-specific responses in the GM, immunostimulatory agents were i.vag administrated after vaccination. We demonstrated that a single i.vag application of toll like receptor (TLR) agonists after a s.c. E7 vaccination induced a significant increase of E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in the GM. More precisely, regarding CpG and Poly l:C, the effect is most probably associated with a local attraction of total CD8 Τ cells and secondly depends on TLR9 and TLR3/Mda5 signaling pathways, respectively. Finally, this combinatorial strategy induced tumor regression in mice harboring large genital tumors, suggesting that such an immunotherapy could be adequate to treat HPV-induced lesions in women.

Conformations of poly{G}-poly{C} π stacks with high hole mobility

Charge transfer properties of DNA depend strongly on the π stack conformation. In the present paper, we identify conformations of homogeneous poly-{G}-poly-{C} stacks that should exhibit high charge mobility. Two different computational approaches were applied. First, we calculated the electronic coupling squared, V2, between adjacent base pairs for all 1 ps snapshots extracted from 15 ns molecular dynamics trajectory of the duplex G15. The average value of the coupling squared 〈 V2 〉 is found to be 0.0065 eV2. Then we analyze the base-pair and step parameters of the configurations in which V2 is at least an order of magnitude larger than 〈 V2 〉. To obtain more consistent data, ∼65 000 configurations of the (G:C)2 stack were built using systematic screening of the step parameters shift, slide, and twist. We show that undertwisted structures (twist<20°) are of special interest, because the π stack conformations with strong electronic couplings are found for a wide range of slide and shift. Although effective hole transfer can also occur in configurations with twist=30° and 35°, large mutual displacements of neighboring base pairs are required for that. Overtwisted conformation (twist38°) seems to be of limited interest in the context of effective hole transfer. The results may be helpful in the search for DNA based elements for nanoelectronics

Lack of tumor recognition by hTERT peptide 540-548-specific CD8(+) T cells from melanoma patients reveals inefficient antigen processing.

Telomerase is a ribonucleoprotein complex responsible for the maintenance of the length of the telomeres during cell division, which is active in germ-line cells as well as in the vast majority of tumors but not in most normal tissues. The wide expression of the human telomerase catalytic subunit (hTERT) in tumors makes it an interesting candidate vaccine for cancer. hTERT-derived peptide 540-548 (hTERT(540)) has been recently shown to be recognized in an HLA-A*0201-restricted fashion by T cell lines derived from peptide-stimulated peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from healthy donors. As a first step to the inclusion of this peptide in immunotherapy clinical trials, it is crucial to assess hTERT(540)-specific T cell reactivity in cancer patients as well as the ability of hTERT-specific CD8(+) T lymphocytes to recognize and lyse hTERT-expressing target cells. Here, we have analyzed the CD8(+) T cell response to peptide hTERT(540) in HLA-A*0201 melanoma patients by using fluorescent HLA-A*0201/hTERT(540) peptide tetramers. HLA-A*0201/hTERT(540) tetramer(+) CD8(+) T cells were readily detected in peptide-stimulated PBMC from a significant proportion of patients and could be isolated by tetramer-guided cell sorting. hTERT(540)-specific CD8(+) T cells were able to specifically recognize HLA-A*0201 cells either pulsed with peptide or transiently transfected with a minigene encoding the minimal epitope. In contrast, they failed to recognize hTERT-expressing HLA-A*0201(+) target cells. Furthermore, in vitro proteasome digestion studies revealed inadequate hTERT processing. Altogether, these results raise questions on the use of hTERT(540) peptide for cancer immunotherapy.

The evolution of XY recombination: sexually antagonistic selection versus deleterious mutation load.

Recombination arrest between X and Y chromosomes, driven by sexually antagonistic genes, is expected to induce their progressive differentiation. However, in contrast to birds and mammals (which display the predicted pattern), most cold-blooded vertebrates have homomorphic sex chromosomes. Two main hypotheses have been proposed to account for this, namely high turnover rates of sex-determining systems and occasional XY recombination. Using individual-based simulations, we formalize the evolution of XY recombination (here mediated by sex reversal; the "fountain-of-youth" model) under the contrasting forces of sexually antagonistic selection and deleterious mutations. The shift between the domains of elimination and accumulation occurs at much lower selection coefficients for the Y than for the X. In the absence of dosage compensation, mildly deleterious mutations accumulating on the Y depress male fitness, thereby providing incentives for XY recombination. Under our settings, this occurs via "demasculinization" of the Y, allowing recombination in XY (sex-reversed) females. As we also show, this generates a conflict with the X, which coevolves to oppose sex reversal. The resulting rare events of XY sex reversal are enough to purge the Y from its load of deleterious mutations. Our results support the "fountain of youth" as a plausible mechanism to account for the maintenance of sex-chromosome homomorphy.

Conserved chromosomal clustering of genes governed by chromatin regulators in Drosophila

BACKGROUND: The trithorax group (trxG) and Polycomb group (PcG) proteins are responsible for the maintenance of stable transcriptional patterns of many developmental regulators. They bind to specific regions of DNA and direct the post-translational modifications of histones, playing a role in the dynamics of chromatin structure. RESULTS: We have performed genome-wide expression studies of trx and ash2 mutants in Drosophila melanogaster. Using computational analysis of our microarray data, we have identified 25 clusters of genes potentially regulated by TRX. Most of these clusters consist of genes that encode structural proteins involved in cuticle formation. This organization appears to be a distinctive feature of the regulatory networks of TRX and other chromatin regulators, since we have observed the same arrangement in clusters after experiments performed with ASH2, as well as in experiments performed by others with NURF, dMyc, and ASH1. We have also found many of these clusters to be significantly conserved in D. simulans, D. yakuba, D. pseudoobscura and partially in Anopheles gambiae. CONCLUSION: The analysis of genes governed by chromatin regulators has led to the identification of clusters of functionally related genes conserved in other insect species, suggesting this chromosomal organization is biologically important. Moreover, our results indicate that TRX and other chromatin regulators may act globally on chromatin domains that contain transcriptionally co-regulated genes.

Revisiting the heteromultimeric structure of ENaC in Xenopus leavis oocytes

The epithelial sodium channel (ENaC) regulates the sodium reabsorption in the principal cells of collecting duct of the nephron, and is essential for the maintenance of Na+ balance and blood pressure. ENaC is regulated by hormones such as aldosterone and vasopressin, by serine proteases. The functional ENaC channel expressed at the cell surface is a hetemultimeric complex composed by the homologous a, ß and y subunits. Several functional and biochemical studies have provided evidence that the ENaC is a heterotetramer formed by 2a lß and ly subunits. Recently, a channel homologue of ENaC, the acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. This discrepancy in the subunit composition of these two channels of the same family, motivated us to revisit the subunit oligomerization of the purified functional abg EnaC channel complex. His(6)ENaC a ß y subunits were expressed in Xenopus leavis oocytes. The three ENaC subunits copurify on Ni+2-NTA agarose beads in a aßy ENaC complex. On Western blot, the ENaC subunits show typical post-translation modifications associated with a functional channel. Using differentially tagged ENaC subunits, we could demonstrate that 2 different a ENaC co- purify with ß and y subunits, whereas only one single ß and y are detected in the ENaC complex. Comparison of the mass of the aßy ENaC complex on Western blot under non reducing conditions with different ENaC dimeric, trimmeric and tetratemeric concatamers indicate that the ENaC channel complex is a heterotetramer made of 2a-, lß-, and ly ENaC subunits. Our result will certainly not provide the last words on the subunit stoichiometry of the ENaC/ASIC channels, but hopefully will promote the réévaluation of the cASICl crystal structure for its functional relevance. -- Le canal épithélial sodique ENaC est responsable de la réabsorption du sodium dans les cellules principales du tubule collecteur rénal et joue un rôle important dans le maintien de l'homéostasie sodique et le maintien de la pression artérielle. Ce canal est régulé par des hormones telles que l'aldostérone ou la Vasopressine mais également par des sérines protéases. ENaC est un canal multimerique constitué des trois sous-unités homologues a, ß and y. De nombreuses études fonctionnelles et biochimiques ont montré que le canal ENaC fonctionnel exprimé à la surface cellulaire est un canal formé de 4 sous unités avec une stoichiometric préférentielle de 2 sous-unités a, 1 sous-unité ß et 1 sous-unité y. Récemment, la cristallisation du canal sodique sensible au pH acide, ASIC, un autre membre de la famille ENaC/Deg, a mis en évidence un canal homotrimérique. Cette divergence dans la composition en sous-unités formant les complexes ENaC et ASIC, deux canaux de la même famille de gènes, nous a motivé à réinvestiguer le problème de l'oligomérisation du complexe fonctionnel ENaC après purification. Dans ce but le complexe ENaC fait des sous-unités aßy marquées par un épitope His 6 ont été exprimées dans l'ovocyte de Xenopus leavis. Les trois sous-unités aßy du complexe ENaC peuvent être co-purifiées sur des billes d'agarose Ni+2-NTA et montrent les modifications post-traductionnelles attendues pour le complexe fonctionnel ENaC exprimé en surface. Nous avons pu démontrer que ce complexe ENaC fonctionnel, est formé de deux sous-unités a différentes, mais de une seule sous-unité ß et une seule sous-unité y, suggérant un complexe ENaC formé de plus de trois sous-unités. L'estimation de la masse du complexe fonctionnel ENaC par Western blot, en comparaison avec des constructions concatemériques de ENaC faites de 2, 3, ou 4 sous-unités indique que le complexe aßy ENaC fonctionnel est une hétérotétramère composé de 2 sous-unités a, une ß et une y. Ces expériences ne représentent pas le fin d'une controverse quant à la structure des canaux ENaC et ASIC, mais soulèvent la question de la relevance fonctionnelle de la structure tridimentionelle du canal ASIC révélée par crystallographie.

Patterns of evolutionary constraints on genes in humans

Background: Different regions in a genome evolve at different rates depending on structural and functional constraints. Some genomic regions are highly conserved during metazoan evolution, while other regions may evolve rapidly, either in all species or in a lineage-specific manner. A strong or even moderate change in constraints in functional regions, for example in coding regions, can have significant evolutionary consequences. Results: Here we discuss a novel framework, 'BaseDiver', to classify groups of genes in humans based on the patterns of evolutionary constraints on polymorphic positions in their coding regions. Comparing the nucleotide-level divergence among mammals with the extent of deviation from the ancestral base in the human lineage, we identify patterns of evolutionary pressure on nonsynonymous base-positions in groups of genes belonging to the same functional category. Focussing on groups of genes in functional categories, we find that transcription factors contain a significant excess of nonsynonymous base-positions that are conserved in other mammals but changed in human, while immunity related genes harbour mutations at base-positions that evolve rapidly in all mammals including humans due to strong preference for advantageous alleles. Genes involved in olfaction also evolve rapidly in all mammals, and in humans this appears to be due to weak negative selection. Conclusion: While recent studies have identified genes under positive selection in humans, our approach identifies evolutionary constraints on Gene Ontology groups identifying changes in humans relative to some of the other mammals.

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

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