Metabolism Regulates the Fate and Function of T Lymphocytes

Proper balancing of the activities of metabolic pathways to meet the challenge of providing necessary products for biosynthetic and energy demands of the cell is a key requirement for maintaining cell viability and allowing for cell proliferation. Cell metabolism has been found to play a crucial role in numerous cell settings, including in the cells of the immune system, where a successful immune response requires rapid proliferation and successful clearance of dangerous pathogens followed by resolution of the immune response. Additionally, it is now well known that cell metabolism is markedly altered from normal cells in the setting of cancer, where tumor cells rapidly and persistently proliferate. In both settings, alterations to the metabolic profile of the cells play important roles in promoting cell proliferation and survival.

It has long been known that many types of tumor cells and actively proliferating immune cells adopt a metabolic phenotype of aerobic glycolysis, whereby the cell, even under normoxic conditions, imports large amounts of glucose and fluxes it through the glycolytic pathway and produces lactate. However, the metabolic programs utilized by various immune cell subsets have only recently begun to be explored in detail, and the metabolic features and pathways influencing cell metabolism in tumor cells in vivo have not been studied in detail. The work presented here examines the role of metabolism in regulating the function of an important subset of the immune system, the regulatory T cell (Treg) and the role and regulation of metabolism in the context of malignant T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). We show that Treg cells, in order to properly function to suppress auto-inflammatory disease, adopt a metabolic program that is characterized by oxidative metabolism and active suppression of anabolic signaling and metabolic pathways. We found that the transcription factor FoxP3, which is highly expressed in Treg cells, drives this phenotype. Perturbing the metabolic phenotype of Treg cells by enforcing increased glycolysis or driving proliferation and anabolic signaling through inflammatory signaling pathways results in a reduction in suppressive function of Tregs.

In our studies focused on the metabolism of T-ALL, we observed that while T-ALL cells use and require aerobic glycolysis, the glycolytic metabolism of T-ALL is restrained compared to that of an antigen activated T cell. The metabolism of T-ALL is instead balanced, with mitochondrial metabolism also being increased. We observed that the pro-anabolic growth mTORC1 signaling pathway was limited in primary T-ALL cells as a result of AMPK pathway activity. AMPK pathway signaling was elevated as a result of oncogene induced metabolic stress. AMPK played a key role in the regulation of T-ALL cell metabolism, as genetic deletion of AMPK in an in vivo murine model of T-ALL resulted in increased glycolysis and anabolic metabolism, yet paradoxically increased cell death and increased mouse survival time. AMPK acts to promote mitochondrial oxidative metabolism in T-ALL through the regulation of Complex I activity, and loss of AMPK reduced mitochondrial oxidative metabolism and resulted in increased metabolic stress. Confirming a role for mitochondrial metabolism in T-ALL, we observed that the direct pharmacological inhibition of Complex I also resulted in a rapid loss of T-ALL cell viability in vitro and in vivo. Taken together, this work establishes an important role for AMPK to both balance the metabolic pathways utilized by T-ALL to allow for cell proliferation and to also promote tumor cell viability by controlling metabolic stress.

Overall, this work demonstrates the importance of the proper coupling of metabolic pathway activity with the function needs of particular types of immune cells. We show that Treg cells, which mainly act to keep immune responses well regulated, adopt a metabolic program where glycolytic metabolism is actively repressed, while oxidative metabolism is promoted. In the setting of malignant T-ALL cells, metabolic activity is surprisingly balanced, with both glycolysis and mitochondrial oxidative metabolism being utilized. In both cases, altering the metabolic balance towards glycolytic metabolism results in negative outcomes for the cell, with decreased Treg functionality and increased metabolic stress in T-ALL. In both cases, this work has generated a new understanding of how metabolism couples to immune cell function, and may allow for selective targeting of immune cell subsets by the specific targeting of metabolic pathways.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel.

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

UV-Induced Melanoma Mouse Model Dependent on Endothelin 3 Over-Expression

Melanoma is one of the most aggressive types of cancer. It originates from the transformation of melanocytes present in the epidermal/dermal junction of the human skin. It is commonly accepted that melanomagenesis is influenced by the interaction of environmental factors, genetic factors, as well as tumor-host interactions. DNA photoproducts induced by UV radiation are, in normal cells, repaired by the nucleotide excision repair (NER) pathway. The prominent role of NER in cancer resistance is well exemplified by patients with Xeroderma Pigmentosum (XP). This disease results from mutations in the components of the NER pathway, such as XPA and XPC proteins. In humans, NER pathway disruption leads to the development of skin cancers, including melanoma. Similar to humans afflicted with XP, Xpa and Xpc deficient mice show high sensibility to UV light, leading to skin cancer development, except melanoma. The Endothelin 3 (Edn3) signaling pathway is essential for proliferation, survival and migration of melanocyte precursor cells. Excessive production of Edn3 leads to the accumulation of large numbers of melanocytes in the mouse skin, where they are not normally found. In humans, Edn3 signaling pathway has also been implicated in melanoma progression and its metastatic potential. The goal of this study was the development of the first UV-induced melanoma mouse model dependent on the over-expression of Edn3 in the skin. The UV-induced melanoma mouse model reported here is distinguishable from all previous published models by two features: melanocytes are not transformed a priori and melanomagenesis arises only upon neonatal UV exposure. In this model, melanomagenesis depends on the presence of Edn3 in the skin. Disruption of the NER pathway due to the lack of Xpa or Xpc proteins was not essential for melanomagenesis; however, it enhanced melanoma penetrance and decreased melanoma latency after one single neonatal erythemal UV dose. Exposure to a second dose of UV at six weeks of age did not change time of appearance or penetrance of melanomas in this mouse model. Thus, a combination of neonatal UV exposure with excessive Edn3 in the tumor microenvironment is sufficient for melanomagenesis in mice; furthermore, NER deficiency exacerbates this process.

Specific JAK2 mutation (JAK2R683) and multiple gene deletions in Down syndrome acute lymphoblastic leukemia

Children with Down syndrome (DS) have a greatly increased risk of acute megakaryoblastic leukemia (AMKL) and acute lymphoblastic leukemia (ALL). Both DS-AMKL and the related transient myeloproliferative disorder (TMD) have GATA1 mutations as obligatory, early events. To identify mutations contributing to leukemogenesis in DS-ALL, we undertook sequencing of candidate genes, including FLT3, RAS, PTPN11, BRAF, and JAK2. Sequencing of the JAK2 pseudokinase domain identified a specific, acquired mutation, JAK2R683, in 12 (28%) of 42 DS-ALL cases. Functional studies of the common JAK2R683G mutation in murine Ba/F3 cells showed growth factor independence and constitutive activation of the JAK/STAT signaling pathway. High-resolution SNP array analysis of 9 DS-ALL cases identified additional submicroscopic deletions in key genes, including ETV6, CDKN2A, and PAX5. These results infer a complex molecular pathogenesis for DS-ALL leukemogenesis, with trisomy 21 as an initiating or first hit and with chromosome aneuploidy, gene deletions, and activating JAK2 mutations as complementary genetic events. (Blood. 2009; 113: 646-648)

Études in vivo et in vitro sur le potentiel néphroprotecteur de plantes médicinales anti-diabétiques de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie-James

Notre équipe a identifié le thé Labrador [Rhododendron groenlandicum L. (Ericaceae)] comme une plante potentiellement antidiabétique de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale. Dans la présente étude, nous avons évalué les effets néphroprotecteurs potentiels de la plante. De la microalbuminurie et de la fibrose rénale ont été développées chez des souris alimentées avec une diète grasse (DG). Le R. groenlandicum améliore d’une façon non-significative la microalbuminurie, avec des valeurs de l’aire sous la courbe (ACR) diminuant de 0.69 à 0.53. La valeur de la fibrose rénale qui était, à l’origine, de 4.85 unités arbitraires (UA) dans des souris alimentées à la DG, a chuté à 3.27 UA après avoir reçu un traitement de R. groenlandicum. Le R. groenlandicum a réduit la stéatose rénale de presque la moitié alors que l’expression du facteur de modification Bcl-2 (Bmf) a chuté de 13.96 UA à 9.43 UA. Dans leur ensemble les résultats suggèrent que le traitement avec R. groenlandicum peut améliorer la fonction rénale altérée par DG. Dans l’étude subséquente, notre équipe a identifié 17 espèces de la forêt boréale, de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale, qui ont présenté des activités biologiques prometteuses in vitro et in vivo dans le contexte du DT2. Nous avons maintenant examiné ces 17 extraits afin d’identifier lesquels possèdent un potentiel cytoprotecteur rénale en utilisant des cellules Madin Darby Canine Kidney (MDCK) mises à l’épreuve dans un médium hypertonique. Nous concluons que plusieurs plantes antidiabétiques Cris exercent une activité de protection rénale qui pourrait être pertinente dans le contexte de la néphropathie diabétique (ND) qui affecte une proportion importante des Cris. La G. hispidula et la A. balsamea sont parmi les plantes les plus puissantes dans ce contexte et elles semblent protectrices principalement en inhibant la caspase 9 dans la voie de signalisation apoptotique mitochondriale. Finalement, nous avons utilisé une approche de fractionnement guidée par un test biologique pour identifier les fractions actives et les composés de A. balsamea avec un potentiel de protection rénale in vitro dans des cellules MDCK mises au défi avec un médium hypertonique. La fraction d’hexane (Hex) possède le potentiel le plus élevé parmi toutes les fractions de solvant contre les dommages cellulaires induits par le stress hypertonique. Dans des études précédentes, trois composés purs ont été identifiés à partir de la fraction Hex, à savoir, l’acide abiétique, l’acide déhydroabiétique et le squalène. L’acide abiétique se distinguait par son effet puissant dans le maintien de la viabilité des cellules MDCK (AnnV-/PI-) à un niveau relativement élevé (augmentation de 25.48% relative au stress hypertonique, P<0.0001), ainsi qu’une réduction significative (diminution de 20.20% par rapport au stress hypertonique, P<0.0001) de l’apoptose de stade précoce (AnnV+/PI-). L’acide abiétique peut donc servir à normaliser les préparations traditionnelles d’A. balsamea et à trouver des applications potentielles dans le traitement de la néphropathie diabétique. Les trois études ont été intrinsèquement liées les unes aux autres, par conséquent, nous avons réussi à identifier R. groenlandicum ainsi que A. balsamea comme nouvelles plantes prometteuses contre la néphropathie diabétique. Nous croyons que ces résultats profiteront à la communauté crie pour la gestion des complications diabétiques, en particulier la néphropathie diabétique. En parallèle, nos données pourraient faire avancer l'essai clinique de certaines plantes médicinales de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale du Canada.

Rôles de deux corécepteurs impliqués dans le maintien des cellules T mémoires CD8+ et la maturation des cellules dendritiques

La reconnaissance d’un antigène présenté par les cellules présentatrices d’antigène induit la prolifération et la différenciation des lymphocytes T naïfs en lymphocytes T effecteurs et mémoires. Cette reconnaissance se fait par l’interaction du récepteur des cellules T (TCR) des lymphocytes T et le complexe CMH-peptide présent à la surface des DC. Cependant, des signaux additionnels sont requis, une meilleure activation des lymphocytes T implique des corécepteurs présents à la surface de ces deux types cellulaires. Après l’élimination de l’antigène, la plupart des lymphocytes T effecteurs vont mourir. Une petite population de lymphocytes T va persister pour se différencier en lymphocytes T mémoires capables de protéger l’organisme contre une réinfection. Les signaux qui contrôlent le maintien des lymphocytes T mémoires sont encore mal compris. Pour comprendre le rôle de la molécule de costimulation 4-1BB dans le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires, nous avons émis l’hypothèse que l’état de phosphorylation de la protéine adaptatrice TRAF1, qui se lie à 4-1BB, module le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires. Ainsi, nous avons montré par des expériences de spectrométrie de masse que TRAF1 s’associe préférentiellement à TBK1 lorsqu’elle n’est pas phosphorylée. Nous avons aussi montré que la présence de TRAF1 est requise pour stabiliser TBK1 au récepteur 4-1BB après stimulation des lymphocytes T. Par ailleurs, les lymphocytes T CD8 OT-I TRAF1-/- reconstituées avec un mutant phospho-déficient de TRAF1 (S139A) et ensuite différenciées en lymphocytes T mémoires in vitro induisent une activation de la voie de signalisation NF-ĸB contrairement à ceux exprimant la forme phospho-mimétique de TRAF1 (S139D). Ces premières études démontrent l’importance de l’état de phosphorylation de TRAF1 en aval de 4-1BB dans les cellules T. Dans la seconde partie, nous avons évalué le rôle d’un autre corécepteur; la neuropiline 1, dans la maturation des DC. A cet effet, nous avons émis l’hypothèse que l’interaction de la neuropiline 1 et ses ligands contribuerait à la fonction des DC. Nous avons démontré que l’absence de la neuropiline 1 n’a pas d’effet sur la maturation au LPS des DC. Cependant, la présence du VEGF (un ligand de Nrp-1) inhibe la maturation des DC dérivées de la moelle osseuse. Notre étude a démontré que VEGF inhibe l’expression des molécules de costimulation, la sécrétion des cytokines pro inflammatoires et la signalisation TLR4 principalement les voies MAP Kinase et NF-ĸB. Contrairement aux résultats avec les cellules WT, VEGF n’est pas capable d’affecter la maturation, la sécrétion des cytokines et la signalisation TLR4 des DC Nrp1-Lyz où la neuropiline 1 est délétée. Ainsi, nos résultats ont démontré que VEGF inhibe la maturation des DC de façon Nrp1-dépendante. Enfin, l’analyse des molécules partenaires de la neuropiline 1 montre que Nrp1, VEGF et TLR4 se retrouvent dans le même complexe. Nos résultats démontrent que VEGF, en présence de la neuropiline 1 est capable d’interagir avec TLR4 pour inhiber la maturation des DC. Toutefois, en absence de la neuropiline1, VEGF n’est pas capable de recruter TLR4 pour réduire l’expression des molécules de costimulation. Ces études sur les corécepteurs pourraient être importantes dans l’élaboration de nouvelles approches vaccinales.

Understanding the genetic basis of phenotype variability in individuals with neurocognitive disorders

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Studies on the Catalytic Asymmetric Fischer Indolization

This work describes further developments and applications of the catalytic asymmetric Fischer indolization. In the first part of this thesis, the development of an organocatalytic asymmetric synthesis of helicenes via a Fischer indolization is discussed. The application of a novel SPINOL-derived phosphoric acid, featuring extended π-surfaces as 3,3‘-substituents which can potentially participate in π-interactions with the polyaromatic intermediate, afforded the corresponding products in high yields and enantioselectivities. The second part of this work describes the development of a catalytic asymmetric dearomatizing synthesis of 1,4-diketones via an interrupted Fischer indolization. Employing aryl hydrazines with α-substituents next to the hydrazine group prevents the rearomatization which takes place in common Fischer indole syntheses, thus enabling the hydrolysis of the generated diimine species. In the presence of STRIP as catalyst, a variety of different 1,4-diketones could be obtained in generally high yields, diastereo- and enantioselectivities. The last part of this thesis deals with the development of an organocatalytic asymmetric stereodivergent synthesis of novel 3H- and 2H-pyrroles, applying an interrupted Fischer indolization and for the 2H-pyrroles a subsequent stereospecific [1,5]-alkyl shift. Employing STRIP as catalyst afforded the corresponding products in good to excellent yields and enantioselectivities. Preliminary biological investigations of these novel structure motifs in cell-based assays, monitoring biological signal transduction pathways showed an inhibition of the Hedgehog signaling pathway in a μM range.

Genetic manipulation of Anopheles stephensi immunity to increase plasmodium falciparum salivary gland sporozoite infection levels

Human malaria is responsible for over 700,000 deaths a year. To stay abreast of the threat posed by the parasite, a constant stream of new drugs and vector control methods are required. This study focuses on a vaccine that has the potential to protect against parasite infection, but has been hindered by developmental challenges. In malaria prevention, live, attenuated, aseptic, Plasmodium falciparum sporozoites (PfSPZ) can be administered as a highly protective vaccine. PfSPZ are produced using adult female Anopheles stephensi mosquitoes as bioreactors. Production volume and cost of a PfSPZ vaccine for malaria are expected to be directly correlated with Plasmodium falciparum infection intensity in the salivary glands. The sporogonic development of Plasmodium falciparum in A. stephensi to fully infected salivary gland stage sporozoites is dictated by the activities of several known components of the mosquito’s innate immune system. Here I report on the use of genetic technologies that have been rarely, if ever, used in Anopheles stephensi Sda500 to increase the yield of sporozoites per mosquito and enhance vaccine production. By combining the Gal4/UAS bipartite system with in vivo expression of shRNA gene silencing, activity of the IMD signaling pathway downstream effector LRIM1, an antagonist to Plasmodium development, was reduced in the midgut, fat body, and salivary glands of A. stephensi. In infection studies using P. berghei and P. falciparum these transgenic mosquitoes consistently produced significantly more salivary gland stage sporozoites than wildtype controls, with increases in P. falciparum ranging from 2.5 to 10 fold. Using Plasmodium infection assays and qRT-PCR, two novel findings were identified. First, it was shown that 14 days post Plasmodium infection, transcript abundance of the IMD immune effector genes LRIM1, TEP1 and APL1c are elevated, in the salivary glands of A. stephensi, suggesting the salivary glands may play a role in post midgut defense against the parasite. Second, a non-pathogenic IMD signaling pathway response was observed which could suggest an alternative pathway for IMD activation. The information gained from these studies has significantly increased our knowledge of Plasmodium defense in A. stephensi and moreover could significantly improve vaccine production.

L’implication de SHP-1 en condition élevée de glucose inhibe la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB dans les cellules musculaires lisses vasculaires hypoxiques

Résumé : Bien que l’hypoxie soit un puissant inducteur de l’angiogenèse, l’activation des facteurs de croissance est perturbée en hyperglycémie au niveau du pied et du cœur. Cette perturbation entraîne la perte de prolifération et de migration chez les cellules endothéliales, musculaires lisses vasculaires et péricytes empêchant la formation de nouveaux vaisseaux qui mènera à l’amputation des membres inférieurs chez les patients diabétiques. Une étude a démontré qu’une augmentation de la protéine tyrosine phosphatase Src homology-2 domain-containing phosphatase-1 (SHP-1) en condition hyperglycémique chez les péricytes entraînait l’inhibition de la signalisation du PDGF-BB, ce qui résultait en le développement d’une rétinopathie diabétique. Nous avons alors soulevé l’hypothèse que l’expression de SHP-1 dans les cellules musculaires lisses vasculaires affecte la prolifération et la migration cellulaire par l’inhibition de la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB en condition diabétique. Nos expérimentations ont été effectuées principalement à l’aide d’une culture primaire de cellules musculaires lisses primaires provenant d’aortes bovines. Comparativement aux concentrations normales de glucose (NG : 5,6 mM), l’exposition à des concentrations élevées de glucose (HG : 25 mM) pendant 48 h a résulté en l’inhibition de la prolifération cellulaire par l’insuline et le PDGF-BB autant en normoxie (20% O2) qu’en hypoxie (24 dernières heures à 1% O2). Lors des essais de migration cellulaire, aucun effet de l’insuline n’a été observé alors que la migration par le PDGF-BB fut inhibée en HG autant en normoxie qu’en hypoxie. L’exposition en HG à mener à l’inhibition de la signalisation de la voie PI3K/Akt de l’insuline et du PDGF-BB en hypoxie. Aucune variation de l’expression de SHP-1 n’a été observée mais son activité phosphatase en hypoxie était fortement inhibée en NG contrairement en HG où on observait une augmentation de cette activité. Finalement, une association a été constatée entre SHP-1 et la sous-unité bêta du récepteur au PDGF. En conclusion, nous avons démontré que l’augmentation de l’activité phosphatase de SHP-1 en hypoxie cause l’inhibition des voies de l’insuline et du PDGF-BB réduisant les processus angiogéniques des cellules musculaires lisses vasculaires dans la maladie des artères périphériques.

An investigation into the role of interleukin-6 in linking systemic and local inflammatory responses in patients with colorectal cancer

Colorectal cancer is the second most common cause of cancer death in the UK. It is accepted that both tumour and host factors are important determinants of disease progression and survival. While systemic and local inflammatory responses are increasingly recognized to be of particular importance the understanding of the mechanisms linking these important inflammatory processes remains unclear. This thesis examines the prognostic importance of measures of systemic and local inflammation and proposes a hypothesis for a link between tumour necrosis, systemic and local inflammatory responses in patients with colorectal cancer. Chapter 3 reports the comparison of the prognostic value of longitudinal measurements of systemic inflammation in patients undergoing curative resection of colorectal cancer. In Chapter 3 the results demonstrate that there was no significant overall change in either mGPS or NLR from pre- to post- operatively. This study highlighted the associations between pre- and post- operative mGPS and NLR and T-stage (p<0.001), TNM stage (p<0.005) and cancer-specific survival. The relationships between pre-operative measurements were examined using multivariate analysis. For pre-operative measurement both mGPS and NLR were associated with cancer-specific survival while when post-operative measures were examined only mGPS was specifically associated with cancer-specific survival (HR 4.81, CI 2.13-10.83, P<0.001). Chapter 4 examines the prognostic value of the Klintrup-Makinen scoring method and the existing limitations with regard to its clinical utility. An automated scoring method using commercially available image analysis software was developed and compared with manual scoring of tumour inflammatory infiltrates. This study demonstrated that both manual K-M scoring (p<0.001) and automated K-M scoring (p<0.05) had prognostic value in patients who had undergone potentially curative resection of colorectal cancer, and that the novel automated method may provide an objective method of assessment of tumour inflammatory infiltrates using routinely stained haematoxylin and eosin sections of tumour samples. In chapter 5 a hypothesis was proposed that Interleukin-6 may link tumour necrosis and systemic and local inflammatory responses in patients with colorectal cancer. This chapter examined the basis for this hypothesis, which is presented in figure 5.1. In addition, in chapter 5 the importance of this potential link is examined. In chapter 6, the hypothesis outlined in chapter 5 was examined in a cohort of patients who had undergone attempted curative resection of colorectal cancer. This study examined the inter-relationships between circulating mediators, in particular IL-6, tumour necrosis and systemic and local inflammatory responses. This results of this study demonstrated that IL-6 was associated with tumour necrosis (<0.001) and mGPS (<0.001) independent of T-stage. Thus adding weight to the hypothesis that elevated circulating concentrations of IL-6 may play a role in modulating both the systemic and local inflammatory responses in patients with cancer. Chapter 7 further develops the hypothesis that IL-6 signalling may be important in modulating systemic and local inflammatory responses in patients with colorectal cancer. Further, in chapter 7 the basis for the role of trans-signalling in this signaling pathway was examined. In this study, we reported that neither expression of the soluble IL-6 receptor or soluble gp130 were associated with systemic or local inflammatory responses. As a result the possible reasons for these findings were explored and future work suggested. A prospective database of patients undergoing attempted curative resection of colorectal cancer in Glasgow Royal Infirmary was used throughout this thesis. This database was created and is maintained regularly by successive research fellows at the Royal Infirmary. The work presented in this thesis highlights the importance of the host response in the form of systemic and local inflammation in patients with colorectal cancer and proposes a link between these responses and tumour necrosis. In addition, this work adds weight to the body of evidence suggesting that assessment of these host responses may improve stratification to treatment for patients with colorectal cancer. Further, this work proposes a mechanistic link, between tumour necrosis, systemic and local inflammatory responses through Interleukin-6, that merits further investigation.

Pre-announcement of symbiotic guests: transcriptional reprogramming by mycorrhizal lipochitooligosaccharides shows a strict co-dependency on the GRAS transcription factors NSP1 and RAM1

BACKGROUND: More than 80 % of all terrestrial plant species establish an arbuscular mycorrhiza (AM) symbiosis with Glomeromycota fungi. This plant-microbe interaction primarily improves phosphate uptake, but also supports nitrogen, mineral, and water aquisition. During the pre-contact stage, the AM symbiosis is controled by an exchange of diffusible factors from either partner. Amongst others, fungal signals were identified as a mix of sulfated and non-sulfated lipochitooligosaccharides (LCOs), being structurally related to rhizobial nodulation (Nod)-factor LCOs that in legumes induce the formation of nitrogen-fixing root nodules. LCO signals are transduced via a common symbiotic signaling pathway (CSSP) that activates a group of GRAS transcription factors (TFs). Using complex gene expression fingerprints as molecular phenotypes, this study primarily intended to shed light on the importance of the GRAS TFs NSP1 and RAM1 for LCO-activated gene expression during pre-symbiotic signaling. RESULTS: We investigated the genome-wide transcriptional responses in 5 days old primary roots of the Medicago truncatula wild type and four symbiotic mutants to a 6 h challenge with LCO signals supplied at 10(-7/-8) M. We were able to show that during the pre-symbiotic stage, sulfated Myc-, non-sulfated Myc-, and Nod-LCO-activated gene expression almost exclusively depends on the LysM receptor kinase NFP and is largely controled by the CSSP, although responses independent of this pathway exist. Our results show that downstream of the CSSP, gene expression activation by Myc-LCOs supplied at 10(-7/-8) M strictly required both the GRAS transcription factors RAM1 and NSP1, whereas those genes either co- or specifically activated by Nod-LCOs displayed a preferential NSP1-dependency. RAM1, a central regulator of root colonization by AM fungi, controled genes activated by non-sulfated Myc-LCOs during the pre-symbiotic stage that are also up-regulated in areas with early physical contact, e.g. hyphopodia and infecting hyphae; linking responses to externally applied LCOs with early root colonization. CONCLUSIONS: Since both RAM1 and NSP1 were essential for the pre-symbiotic transcriptional reprogramming by Myc-LCOs, we propose that downstream of the CSSP, these GRAS transcription factors act synergistically in the transduction of those diffusible signals that pre-announce the presence of symbiotic fungi.

Études in vivo et in vitro sur le potentiel néphroprotecteur de plantes médicinales anti-diabétiques de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie-James

Notre équipe a identifié le thé Labrador [Rhododendron groenlandicum L. (Ericaceae)] comme une plante potentiellement antidiabétique de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale. Dans la présente étude, nous avons évalué les effets néphroprotecteurs potentiels de la plante. De la microalbuminurie et de la fibrose rénale ont été développées chez des souris alimentées avec une diète grasse (DG). Le R. groenlandicum améliore d’une façon non-significative la microalbuminurie, avec des valeurs de l’aire sous la courbe (ACR) diminuant de 0.69 à 0.53. La valeur de la fibrose rénale qui était, à l’origine, de 4.85 unités arbitraires (UA) dans des souris alimentées à la DG, a chuté à 3.27 UA après avoir reçu un traitement de R. groenlandicum. Le R. groenlandicum a réduit la stéatose rénale de presque la moitié alors que l’expression du facteur de modification Bcl-2 (Bmf) a chuté de 13.96 UA à 9.43 UA. Dans leur ensemble les résultats suggèrent que le traitement avec R. groenlandicum peut améliorer la fonction rénale altérée par DG. Dans l’étude subséquente, notre équipe a identifié 17 espèces de la forêt boréale, de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale, qui ont présenté des activités biologiques prometteuses in vitro et in vivo dans le contexte du DT2. Nous avons maintenant examiné ces 17 extraits afin d’identifier lesquels possèdent un potentiel cytoprotecteur rénale en utilisant des cellules Madin Darby Canine Kidney (MDCK) mises à l’épreuve dans un médium hypertonique. Nous concluons que plusieurs plantes antidiabétiques Cris exercent une activité de protection rénale qui pourrait être pertinente dans le contexte de la néphropathie diabétique (ND) qui affecte une proportion importante des Cris. La G. hispidula et la A. balsamea sont parmi les plantes les plus puissantes dans ce contexte et elles semblent protectrices principalement en inhibant la caspase 9 dans la voie de signalisation apoptotique mitochondriale. Finalement, nous avons utilisé une approche de fractionnement guidée par un test biologique pour identifier les fractions actives et les composés de A. balsamea avec un potentiel de protection rénale in vitro dans des cellules MDCK mises au défi avec un médium hypertonique. La fraction d’hexane (Hex) possède le potentiel le plus élevé parmi toutes les fractions de solvant contre les dommages cellulaires induits par le stress hypertonique. Dans des études précédentes, trois composés purs ont été identifiés à partir de la fraction Hex, à savoir, l’acide abiétique, l’acide déhydroabiétique et le squalène. L’acide abiétique se distinguait par son effet puissant dans le maintien de la viabilité des cellules MDCK (AnnV-/PI-) à un niveau relativement élevé (augmentation de 25.48% relative au stress hypertonique, P<0.0001), ainsi qu’une réduction significative (diminution de 20.20% par rapport au stress hypertonique, P<0.0001) de l’apoptose de stade précoce (AnnV+/PI-). L’acide abiétique peut donc servir à normaliser les préparations traditionnelles d’A. balsamea et à trouver des applications potentielles dans le traitement de la néphropathie diabétique. Les trois études ont été intrinsèquement liées les unes aux autres, par conséquent, nous avons réussi à identifier R. groenlandicum ainsi que A. balsamea comme nouvelles plantes prometteuses contre la néphropathie diabétique. Nous croyons que ces résultats profiteront à la communauté crie pour la gestion des complications diabétiques, en particulier la néphropathie diabétique. En parallèle, nos données pourraient faire avancer l'essai clinique de certaines plantes médicinales de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale du Canada.

Rôles de deux corécepteurs impliqués dans le maintien des cellules T mémoires CD8+ et la maturation des cellules dendritiques

La reconnaissance d’un antigène présenté par les cellules présentatrices d’antigène induit la prolifération et la différenciation des lymphocytes T naïfs en lymphocytes T effecteurs et mémoires. Cette reconnaissance se fait par l’interaction du récepteur des cellules T (TCR) des lymphocytes T et le complexe CMH-peptide présent à la surface des DC. Cependant, des signaux additionnels sont requis, une meilleure activation des lymphocytes T implique des corécepteurs présents à la surface de ces deux types cellulaires. Après l’élimination de l’antigène, la plupart des lymphocytes T effecteurs vont mourir. Une petite population de lymphocytes T va persister pour se différencier en lymphocytes T mémoires capables de protéger l’organisme contre une réinfection. Les signaux qui contrôlent le maintien des lymphocytes T mémoires sont encore mal compris. Pour comprendre le rôle de la molécule de costimulation 4-1BB dans le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires, nous avons émis l’hypothèse que l’état de phosphorylation de la protéine adaptatrice TRAF1, qui se lie à 4-1BB, module le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires. Ainsi, nous avons montré par des expériences de spectrométrie de masse que TRAF1 s’associe préférentiellement à TBK1 lorsqu’elle n’est pas phosphorylée. Nous avons aussi montré que la présence de TRAF1 est requise pour stabiliser TBK1 au récepteur 4-1BB après stimulation des lymphocytes T. Par ailleurs, les lymphocytes T CD8 OT-I TRAF1-/- reconstituées avec un mutant phospho-déficient de TRAF1 (S139A) et ensuite différenciées en lymphocytes T mémoires in vitro induisent une activation de la voie de signalisation NF-ĸB contrairement à ceux exprimant la forme phospho-mimétique de TRAF1 (S139D). Ces premières études démontrent l’importance de l’état de phosphorylation de TRAF1 en aval de 4-1BB dans les cellules T. Dans la seconde partie, nous avons évalué le rôle d’un autre corécepteur; la neuropiline 1, dans la maturation des DC. A cet effet, nous avons émis l’hypothèse que l’interaction de la neuropiline 1 et ses ligands contribuerait à la fonction des DC. Nous avons démontré que l’absence de la neuropiline 1 n’a pas d’effet sur la maturation au LPS des DC. Cependant, la présence du VEGF (un ligand de Nrp-1) inhibe la maturation des DC dérivées de la moelle osseuse. Notre étude a démontré que VEGF inhibe l’expression des molécules de costimulation, la sécrétion des cytokines pro inflammatoires et la signalisation TLR4 principalement les voies MAP Kinase et NF-ĸB. Contrairement aux résultats avec les cellules WT, VEGF n’est pas capable d’affecter la maturation, la sécrétion des cytokines et la signalisation TLR4 des DC Nrp1-Lyz où la neuropiline 1 est délétée. Ainsi, nos résultats ont démontré que VEGF inhibe la maturation des DC de façon Nrp1-dépendante. Enfin, l’analyse des molécules partenaires de la neuropiline 1 montre que Nrp1, VEGF et TLR4 se retrouvent dans le même complexe. Nos résultats démontrent que VEGF, en présence de la neuropiline 1 est capable d’interagir avec TLR4 pour inhiber la maturation des DC. Toutefois, en absence de la neuropiline1, VEGF n’est pas capable de recruter TLR4 pour réduire l’expression des molécules de costimulation. Ces études sur les corécepteurs pourraient être importantes dans l’élaboration de nouvelles approches vaccinales.