Peroxisome proliferator activated receptor BETA/DELTA as a central player in the skin response to ultra-violets radiation

Previous studies in the lab of Dr. Liliane Michalik, have shown thai the nuclear hormone receptor Peroxisome Proliferator Activated Receptor beta/delta (PPARß/ö) is an important regulator of skin homeostasis, being involved in the regulation of keratinocyte differentiation, inflammation, apoptosis, arid mouse skin wound healing. Studies of PPARß/ö knock out mice have suggested a possible role for this receptor in cancer. However, contradictory observations of the role for PPARß/ö on tumor growth have been published, depending on cellular contexts and biological models. Given the controversial role of PPARß/ö in skin carcinoma development, the main aim of this PhD work has been to further explore the implication of PPARß/ö in skin response to UV and skin tumor growth. This PhD dissertation is divided in four chapters. The first chapter describes the core part of the project, where I explored the changes in miRNA expression in the skin upon chronic UV irradiation of PPARß/ö wild type and knock-out mice. This analysis shed light on a miRNA- PPARß/ö signature and also predicted thai miR-21-3p (previously named miR-21*) is a key regulator of the PPARß/ö-dependent UV response in the pre-lesiona! skin. Using mice acutely UV-irradiated, ! further demonstrated that miR-21-3p is indirectly regulated by PPARß/ö through activation of Transforming Growth Factor (TGFß)-1 under UV exposure. I also show that miR-21-3p is deregulated in human cutaneous squamous celi carcinoma. In cultured keratinocytes, application of a miR-21 -3p mimic oligonucleotide sequence leads to the regulation of lipid metabolism-related pathway. In the second chapter, I demonstrate that the usage of an mRNA/miRNA combined bioinformatics analysis leads to the discovery of important pathways involved in the PPARß/ö-miRNA response of the skin to chronic UV irradiation, indeed, I validated angiogenesis and lipid metabolism as important functions regulated by PPARß/ö in this context. In the third chapter, we demonstrate that PPARß/5 knockout mice have decreased cutaneous squamous cell carcinomas incidence compared to wild type mice and that PPARß/5 directly activates the cSrc kinase gene. In the last chapter, we review novel insights into PPAR functions in keratinocytes and liver, with emphasis on PPARß/ö but also on PPARa. In summary, this PhD study shows that i) PPARß/5 is able to regulate biological function through regulation of miRNAs, and specifically through miR-21-3p, the passenger miRNA of the oncomiR miR-21, and that ii) the PPARß/5-dependent skin response to UV involves the regulation of angiogenesis and lipid metabolism. Furthermore, the bioinformatics study highlights the relevance of performing integrated mRNA and miRNA genome-wide studies in order to better screen mRNAs and/or miRNAs of interest in the biological context of diseases. - Des études préalables dans le laboratoire du Dr. Liliane Michalik ont démontré que le récepteur nucléaire PPARß/5 est un régulateur important de l'homéostasie de la peau, étant impliqué dans la régulation de la différenciation des keratinocytes, dans l'inflammation, dans l'apoptose et dans la cicatrisation de la peau chez !a souris. L'étude de souris knock-out pour le gène PPARß/5, ont suggérées un rôle possible de ce récepteur dans le cancer. Cependant, des observations opposées ont été publiées suggérant un rôle pro- ou anti- cancer selon le tissue impliqué et le type- cellulaire. En considérant cette controverse autour du rôle de PPARß/5 dans le développement des cancers de la peau, le but principal de mon projet de recherche aura été d'approfondir l'exploration du rôle de PPARß/5 dans la réponse de la peau aux UVs et dans le développement du cancer. Cette dissertation de thèse est divisée en quatre parties. Une première partie, représentant le coeur de mon travail de recherche, décrit la découverte de l'implication des microRNAs (rniRNAs) dans la réponse aux UVs de PPARß/ö et plus spécifiquement l'implication du miRNA miR- 21 -3p (précédemment nommé miR-21*). En étudiant un modèle de souris irradiées de manière aigüe aux UVs, nous montrons que ia régulation de miR-21-3p est PPARß/ö-däpenaante et que cette régulation à lieu par l'intermédiaire du facteur de transcription TGFß-1. Dans des cultures de keratinocytes Humains, la transfecticn d'une séquence oligonucléotidique similaire à celle de miR-21-3p (mimic), montre l'implication de rniR-21-3p dans des fonctions importantes pour le développement des cancers telles que le métabolisme des lipides. Dans un second chapitre, nous montrons que l'usage d'une méthode bioinformatique combinant l'expression des ARN messagers et des miRNAs permet de mettre en évidence des fonctions biologiques importantes lors de ia réponse de PPARß/ö à l'irradiation chronique. L'angiogenèse, le stress oxydatif et le métabolisme des lipides font partie de ces fonctions régulées par PPARß/5 dans la peau irradiée aux UVs. Nous mettons également en évidence la régulation du gène LpcatS par PPARß/5 dans la peau irradiée aux UV ainsi que dans des keratinocytes humains suggérant un rôle pour PPARß/5 dans le remodelage des lipides membranaires. Dans une troisième partie, nous établissons un lien entre la régulation de l'oncogène Src et l'activation de PPARß/5 dans les carcinomes spinocellulaires de la peau. Finalement dans un quatrième chapitre, nous faisons une revue des dernières recherches portées sur le rôle de PPARß/5 et de PPARa dans le foie et ia peau. En résumé ce projet de thèse représente un avancement pour la recherche sur rimplication de PPARß/5 dans la réponse aux UVs de la peau. Pour la première fois, un lien est établi entre ce facteur de transcription et la régulation de microRNAs dans le cadre du carcinome spinocellulare. Jusqu'alors resté dans l'ombre de rniR-21-5p, miR-21-3p est en fait fortement augmenté à la fois dans un modèle de souris d'irradiation aux UVs ainsi que dans ie carcinome spinocellulare chez i'humain. De nouvelles fonctions biologiques pour PPARß/5 ont été également mises en évidence dans ce travail, comme la régulation de l'angiogenèse ou du métabolisme des lipides dans Sa peau. De plus cette dissertation valorise l'intérêt d'une association entre le travail de laboratoire et celui de la bioinformatique.

Toll-interacting protein modulates colitis susceptibility in mice.

BACKGROUND: The intestinal epithelium accommodates with a myriad of commensals to maintain immunological homeostasis, but the underlying mechanisms regulating epithelial responsiveness to flora-derived signals remain poorly understood. Herein, we sought to determine the role of the Toll/interleukin (IL)-1 receptor regulator Toll-interacting protein (Tollip) in intestinal homeostasis. METHODS: Colitis susceptibility was determined after oral dextran sulfate sodium (DSS) administration or by breeding Tollip on an IL-10 background. The intestinal flora was depleted with 4 antibiotics before DSS exposure to assess its contribution in colitis onset. Bone marrow chimeras were generated to identify the cellular compartment, whereby Tollip may negatively regulate intestinal inflammation in response to DSS. Tollip-dependent epithelial barrier functions were studied in vitro by using Tollip-knockdown in Caco-2 cells and in vivo by immunohistochemistry and fluorescein isothiocyanate-labeled dextran gavage. RESULTS: Genetic ablation of Tollip did not lead to spontaneous intestinal inflammatory disorders. However, Tollip deficiency aggravated spontaneous disease onset in IL-10 mice and increased susceptibility to DSS colitis. Increased colitis severity in Tollip-deficient mice was not improved by bacterial flora depletion using broad-spectrum antibiotics. In addition, DSS exposure of bone marrow chimeric mice revealed a protective role for Tollip in nonhematopoietic cells. Knockdown of Tollip in epithelial cells led to exaggerated NFκ-B activity and proinflammatory cytokine secretion. Finally, DSS-treated Tollip mice showed enhanced intestinal permeability and increased epithelial apoptosis when compared with wild-type controls, a finding that coincided with tight junction alterations on injury. CONCLUSION: Overall, our data show an essential role for Tollip on colitis susceptibility in mice.

Mécanismes moléculaires de la sécrétion d'insuline : implication de Slac2c/MyRIP, protéine effectrice de Rab27a, et rôle des phosphoinositides dans le processus d'exocytose

Résumé : La sécrétion de l'insuline en réponse au glucose circulant dans le sang est la fonction principale de la cellule β. La perte de cette fonction est une des caractéristiques du diabète de type 2. L'exocytose est une fonction cellulaire indispensable au renouvellement des composants lipidiques et protéiques de la membrane cellulaire, à la communication entre les cellules et au maintien d'un environnement adéquat. On peut distinguer deux types d'exocytose : l'exocytose constitutive et l'exocytose régulée. Cette dernière est déclenchée par des stimuli externes. L'exocytose régulée est contrôlée au niveau de la fusion des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Certains composants moléculaires impliqués dans ce processus font partie de la famille des GTPases Rab. Les deux membres de cette famille impliqués sont Rab3 et Rab27. Nous avons étudié le rôle de la GTPase Rab27 dans les cellules INS-1E, une lignée cellulaire pancréatique β qui sécrète de l'insuline de façon régulée. Nous avons trouvé que la diminution d'expression de la protéine en utilisant le technique de « RNA interference » diminue la sécrétion stimulée, mais que la distribution des granules n'est nullement affectées par ce changement d'activité intrinsèque. Un des effecteurs identifiés de cette GTPase est Slac2c/MyRIP. Cette protéine possède plusieurs domaines fonctionnels dont un qui lui permet de se lier à l'actine, constituant du cytosquelette cellulaire. L'ensemble de nos résultats suggèrent que Rab27 et MyRIP font partie d'un complexe permettant l'interaction de la granule de sécrétion avec le cytosquelette d'actine corticale et participent à la régulation des dernières étapes de l'exocytose d'insuline. Ensuite, nous avons étudié les phosphoinositides (PI). Les phosphoinositides sont d'importantes molécules impliquées dans le régulation du trafic vésiculaire. Nous avons trouvé que le phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) et le phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) augmentent la sécrétion sous l'action de 10µM de Ca2+ dans les cellules INS-1E perméabilisées avec la streptolysine-O. En plus, nous avons démontré que l'exocytose est diminuée dans les cellules intactes exprimant une protéine qui séquestre le PI(4,5)P2. Une diminution similaire est observée en diminuant l'expression de deux enzymes impliquées dans la production du PI(4,5)P2, la PI4Kinase β type III et la PIP5Kinase γ type I. Pour clarifier le mécanisme d'action des PI, nous avons investigué l'implication de trois cibles potentielles des PI, la PLD1, CAPS1 et Mint1. Pour ce faire, nous avons réduit le niveau d'expression endogène de ces protéines, ce qui inhibe la libération d'hormones provoquée par le glucose. Tout ceci indique donc que la production du PI(4,5)P2 est nécessaire pour le contrôle de la sécrétion et suggère qu'une partie de l'effet du PI sur la sécrétion pourrait être exercé par l'activation de la PLD1, CAPS1 et Mint1. Abstract Insulin release from pancreatic β-cells plays an essential role in the achievement of blood glucose homeostasis and defects in the regulation of this process lead to profound metabolic disorders and hyperglycaemia (eg. type 2 diabetes). Almost every cell in our organism releases proteins and other biological compounds using a fundamental cellular process known as constitutive exocytosis. In exocrine and endocrine glands, the cells are endowed with an additional and more refined release mechanism directly tuned by extracellular signals. This process, referred to as regulated exocytosis, ensures the timely delivery of molecules such as peptide hormones and digestive enzymes to match the moment¬-to-moment requirements of the organism. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including Rab3 and Rab27, two GTPases that regulate the final steps of secretion in many cells. We investigated the involvement of Rab27 GTPase in the secretory process of the insulin-secreting cell line INS-1E. We found that selective reduction of Rab27 expression by RNA interference did not alter granule distribution but impaired exocytosis triggered by insulin secretagogues. Screening for potential effectors revealed that Slac2c/MyRIP is associated with granules and attenuation of Slac2c expression severely impaired hormone release. This protein contains several functional domains, including, a binding domain for the cellular cytoskeleton constituent actin. Taken together our data suggest the Rab27 and MyRIP are part of a complex mediating the interaction of secretory granules with cortical cytoskeleton and participate to the regulation of the final steps in insulin exoctytosis. In the second part of the thesis, we studied phosphoinositides (PI). Phosphoinositides are important molecules involved in the regulation of vesicular trafficking. We found that phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) and phosphatidylinosito1-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) increase the secretory response triggered by 10µM Ca2+ in streptolysin-O permeabilized insulin-secreting INS-1E cells. In addition, nutrient-induced exocytosis was diminished in intact cells expressing constructs that sequester PI(4,5)P2. A similar decrease was observed after silencing of two enzymes involved in PI(4,5)P2 production, type III PI4Kinase β and type I PIP5Kinase γ, by RNA interference. To clarify the mechanism of action of PI, we investigated the involvement in the regulation of exocytosis of three potential PI targets, PLD1, CAPS1 and Mint1. Transfection of cells with silencers capable of reducing the endogenous levels of these proteins inhibited hormone release elicited by glucose. Our data indicate that the production PI(4,5)P2 is necessary for proper control of p-cell secretion and suggest that at least part of the effects of PI on insulin exocytosis could be exerted through the activation of PLD1, CAPS1 and Mint1.

Deletion of mu- and kappa-opioid receptors in mice changes epidermal hypertrophy, density of peripheral nerve endings, and itch behavior.

The mu- (MOR) and kappa- (KOR) opioid receptors have been implicated in the regulation of homeostasis of non-neuronal cells, such as keratinocytes, and sensations like pain and chronic pruritus. Therefore, we have studied the phenotype of skin after deletion of MOR and KOR. In addition, we applied a dry skin model in these knockout mice and compared the different mice before and after induction of the dermatitis in terms of epidermal thickness, epidermal peripheral nerve ending distribution, dermal inflammatory infiltrate (mast cells, CD4 positive lymphocytes), and scratching behavior. MOR knockout mice reveal as phenotype a significantly thinner epidermis and a higher density of epidermal fiber staining by protein gene product 9.5 than the wild-type counterparts. Epidermal hypertrophy, induced by the dry skin dermatitis, was significantly less developed in MOR knockout than in wild-type mice. Neither mast cells nor CD4 T(h)-lymphocytes are involved in the changes of epidermal nerve endings and epidermal homeostasis. Finally, behavior experiments revealed that MOR and KOR knockout mice scratch less after induction of dry skin dermatitis than wild-type mice. These results indicate that MOR and KOR are important in skin homeostasis, epidermal nerve fiber regulation, and pathophysiology of itching.

The peroxisome proliferator-activated receptors at the cross-road of diet and hormonal signalling.

The peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are members of the steroid/thyroid nuclear receptor superfamily of ligand-activated transcription factors. To date, three isotypes have been identified, alpha, beta and gamma, encoded by three different genes. The alpha isotype is expressed at high levels in the liver where it has a role in lipid oxidation. Its expression and activity follow a diurnal rhythm that parallels the circulating levels of corticosterone in the bloodstream. The gamma isotype on the other hand, is mainly expressed in adipose tissue and has a critical role in adipocyte differentiation and lipid storage. The function of the ubiquitously expressed isotype, PPAR beta, remains to be determined. Besides fulfilling different roles in lipid metabolism, the different PPAR isotypes also have different ligand specificities. A new approach to identify ligands was developed based on the ligand-dependent interaction of PPAR with the recently characterized co-activator SRC-1. This so-called CARLA assay has allowed the identification of fatty acids and eicosanoids as PPAR ligands. Although the evidence clearly links PPAR isotypes to distinct functions, the molecular basis for this isotype-specificity is still unclear. All three isotypes are able to bind the same consensus response element, formed by a direct repeat of two AGGTCA hexamers separated by one base, though with different affinities. We recently demonstrated that besides the core DR-1 element, the 5' flanking sequence should be included in the definition of a PPRE. Interestingly, the presence of this flanking sequence is of particular importance in the context of PPAR alpha binding. Moreover, it reflects the polarity of the PPAR-RXR heterodimer on DNA, with PPAR binding to the 5' half-site and RXR binding to the 3' half-site. This unusual polarity may confer unique properties to the bound heterodimer with respect to ligand binding and interaction with co-activators and corepressors.

Toll-Interacting Protein Deficiency Leads to Increased Susceptibility to Acute and Chronic Colitis.

BACKGROUND: Sensing of bacterial products via Toll-like receptors is critical to maintain gut immune homeostasis. The Toll-Interacting Protein (Tollip) inhibits downstream signaling through the IL-1 receptor, TLR-2 and TLR-4. Here,we aimed to address the role of Tollip in acute and chronic inflammatory responses in the gut. MATERIAL AND METHODS: WT or Tollip-deficient mice were exposed to dextran sulfate sodium (DSS) 1.5% in the drinking water during 7 days. To generate bone-marrow chimeras, WT or Tollip deficient mice were 900-rads irradiated, transplanted with WT or Tollip deficient bone-marrow cells and challenged with DSS 2-3 months after transplantation. IL-10 deficient mice were bred with Tollip deficient mice and colitis was compared at various time points. RESULTS: Upon DSS exposure, Tollip-deficient mice had increased body weight loss and increased pro-inflammatory cytokine expression compared to WT controls. Challenge of bone-marrow chimeras showed that colitis susceptibility was also increased when Tollip deficiency was restricted to non-hematopoietic cells. DSS-exposure lead to a disorganized distribution of zona-occludens-1, a tight junction marker and increased number of apoptotic, cleaved caspase 3 positive, epithelial cells in Tollip-deficient compared to WT mice. Chronic colitis was also affected by Tollip deficiency as Tollip/IL-10 deficient mice had more severe histological stigmata of colitis and higher IL-17 expression than IL-10 deficient controls. CONCLUSION: Tollip in non-hematopoietic cells is critical for adequate response to a chemical-induced stress in the gut and to hamper chronic bacteria-driven colitis. Modulation of epithelial cell integrity via Tollip likely contributes to the observed defects.

The parallel lives of angiogenesis and immunosuppression: cancer and other tales.

Emerging evidence indicates that angiogenesis and immunosuppression frequently occur simultaneously in response to diverse stimuli. Here, we describe a fundamental biological programme that involves the activation of both angiogenesis and immunosuppressive responses, often through the same cell types or soluble factors. We suggest that the initiation of these responses is part of a physiological and homeostatic tissue repair programme, which can be co-opted in pathological states, notably by tumours. This view can help to devise new cancer therapies and may have implications for aseptic tissue injury, pathogen-mediated tissue destruction, chronic inflammation and even reproduction.

Lung fluid movements in hypoxia.

Pulmonary edema is a problem of major clinical importance resulting from a persistent imbalance between forces that drive water into the airspace of the lung and the biological mechanisms for its removal. Here, we will first review the fundamental mechanisms implicated in the regulation of lung fluid homeostasis, namely, the Starling forces and the respiratory transepithelial sodium transport. Second, we will discuss the contribution of hypoxia to the perturbation of this fine balance and the role of such perturbations in the development of high-altitude pulmonary edema, a disease characterized by a very high morbidity and mortality. Finally, we will review possible interventions aimed to maintain/restore lung fluid homeostasis and their importance for the prevention/treatment of pulmonary edema.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

Defining molecular components of symbiotic phosphate uptake in rice

Phosphate (Pi) acquisition of crops via arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis acquires increasing importance due to the limited rock Pi reserves and the demand for environmentally sustainable agriculture. However, the symbiotic Pi uptake machinery has not been characterized in any monocotyledonous plant species. Among these, rice is the primary staple food for more than half of the human population and thus central for future food security. However, the relevance of the AM symbiosis for rice Pi nutrition is presently unclear. Here, we show that 70% of the overall Pi acquired by rice is delivered via the symbiotic route. To better understand this pathway we combined genetic, molecular and physiological approaches to determine the specific functions of the two rice Pi transporters, PT11 and PT13, which are expressed only during AM symbiosis. The PT11 lineage of proteins is present in mono- and dicotyledons whereas PT13, while found across the Poaceae, is absent from dicotyledons. Surprisingly, mutations in either PT11 or PT13 affected fungal colonization and arbuscule formation demonstrating that both genes are essential for AM symbiosis between rice and Glomus intra.rad.ices. Importantly, for symbiotic Pi uptake, only PT11 is necessary and sufficient. We found that mycorrhizal rice, remarkably, received almost all Pi via the symbiotic route. Such dominating mycorrhizal Pi uptake was found in plants grown under controlled conditions as well as in field soils, suggesting that the AM symbiosis is relevant for the Pi nutrition of field grown rice. Development of smaller arbuscules in PT11 mutants suggested that symbiotic Pi signaling is required for fungal nourishment by the plant. However, co-culture of mutant with wild type nurse plants did not restore normal arbuscule size in mutant roots, indicating that other factors than malnutrition accounted for the altered arbuscule phenotype. Surprisingly, the loss of PT13 did not affect symbiotic Pi uptake although it impacted arbuscule morphology, suggesting that PT13 is involved in signaling during arbuscule development. However, induction of PT13 was not only monitored in arbusculated cells but also in inner cortex cells of non-inoculated roots of plants grown under high Pi fertilization conditions. According to preliminary observations, PT13 localized at the tonoplast in arbusculated and non-arbusculated cells, suggesting that it might be involved in transporting Pi into the vacuole, possibly for maintaining cellular Pi homeostasis. The further investigation showed that fungal colonization level was significantly affected in the crown roots of two ptlS mutant alleles, but not in large lateral roots, implying the possible role of PT13 for maintaining Pi homeostasis in the crown roots. - L'acquisition de phosphate (Pi) par les plantes cultivées s'effectue grâce à une symbiose mycorhizienne arbasculaire (AM). L'étude de cette symbiose devient fondamentale puisque d'une part, les réserves en phosphate minéral sont limitées, et, d'autre part, la demande pour une agriculture écologiquement soutenable se renforce. La machinerie d'absorption symbiotique du phosphate n'est cependant pas encore élucidée chez les plantes monocotylédones. Parmi celles-ci, le riz occupe une place primordiale. Aliment de base pour plus de la moitié de la population mondiale, il revêt de ce fait une dimension essentielle en termes de sécurité alimentaire. Pourtant, l'importance de la symbiose AM chez le riz dans le processus d'acquisition du phosphate n'est, encore de nos jours, que peu comprise. Dans cette étude, nous montrons que 70% du phosphate acquis par le riz est mis à disposition de la plante grâce à la symbiose AM. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, nous avons employé des approches physiologiques et génétiques nous permettant de déterminer les fonctions spécifiques de deux transporteurs de Pi, PT11 et PT13, présents chez le riz et exprimés uniquement durant la symbiose AM. La famille de gènes à laquelle appartient PT11 est présente chez les monocotylédones ainsi que chez les dicotylédones tandis que PT13, bien que retrouvé au sein des Poaceae, est absent chez les dicotylédones. Etonnamment, des versions mutées de PT11 ou de PT13 affectent la colonisation par le champignon endo-mycorhizien ainsi que la formation d'arbuscules, démontrant l'importance de ces deux gènes dans la symbiose AM entre le riz et Glomus intraradices. Il est à noter que seul PT11 se révèle nécessaire et suffisant pour l'apport de Pi grâce à la symbiose. Nous avons observé que la presque totalité du phosphate dont dispose le riz lors d'une symbiose AM provient du champignon. De telles proportions ont été observées tant chez des plantes cultivées en conditions contrôlées que chez des plantes cultivées dans les champs. Cela suggère l'importance de la symbiose AM dans le processus d'acquisition du Pi chez le riz cultivé à l'extérieur. Le développement d'arbuscules plus petits chez le mutant PT11 tend à montrer qu'une voie signalétique impliquant le Pi symbiotique est nécessaire pour l'entretien du champignon par la plante. Toutefois, une co-culture du mutant avec des plantes sauvages ne permet pas de restaurer des arbuscules de taille normale dans les racines du mutant. Ce résultat indique le rôle de facteurs autres que la malnutrition aboutissant à la formation d'arbuscules altérés. Si la perte de PT13 n'affecte pas l'acquisition de phosphate symbiotique, la morphologie de l'arbuscule est, quant à elle, modifiée. Ceci suggère un rôle de PT13 durant le développement de l'arbuscule. Or, l'induction de PT13 est non seulement détectée dans des cellules contenant des arbuscules mais également dans des cellules du cortex, ceci chez des plantes cultivées sans champignon mais dans des conditions de fortes concentrations en engrais phosphaté. En accord avec des observations précédentes, PT13 est localisé au niveau du tonoplaste des cellules contenant ou non des arbuscules. Ceci suggère que PT13 pourrait être impliqué dans le transport du Pi vers la vacuole, éventuellement pour maintenir une certaine homéostasie du phosphate. Dans cette étude, nous démontrons également que le niveau de colonisation par le champignon est affecté de manière significative dans les racines principales des deux allèles du mutants ptl3, mais pas dans les grosses racines latérales. Cela impliquerait un rôle possible de PT13 dans le maintien de l'homéostasie du phosphate dans les racines principales. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC Le phosphate (Pi), l'un des éléments minéraux essentiel au développement des plantes, se trouve généralement en faible quantité dans le sol, limitant ainsi la croissance des plantes. Le rendement de la production agricole dépend dès lors de l'addition d'engrais contenant du phosphate inorganique (Pi), obtenu à partir de ressources minières riches en phosphate. Or, ces ressources devraient être épuisées d'ici la fin du siècle. Les racines des plantes possèdent des transporteurs de phosphate efficaces leur permettant d'acquérir rapidement le Pi présent dans le sol. Comme le Pi s'avère immobile dans le sol, l'absorption rapide par les racines crée des zones pauvres en Pi autour des systèmes racinaires. Pour surmonter cet obstacle, les plantes ont développé une symbiose avec des champignons endomycorhiziens, la symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM). Cette association leur donne accès à d'autres ressources en phosphate puisque le mycélium de ces champignons se développe sur une surface 100 fois supérieure à celle des racines. Cela augmente considérablement la surface de nutrition, dépassant ainsi la zone appauvrie en Pi. Le phosphate, transporté grâce au champignon jusqu'à l'intérieur des racines, est fourni à la plante par le biais de structures établies à l'intérieur des cellules végétales, appelées arbuscules. De leur côté, les plantes possèdent des transporteurs spécifiques afin de recevoir le Pi fourni par les champignons. A l'heure actuelle, la machinerie nécessaire à cette absorption a été uniquement décrite chez des plantes dicotylédones. Or, comprendre l'apport de phosphate par les champignons mycorhiziens s'avère particulièrement pertinent dans le cas des espèces monocotylédones cultivées telles que les céréales. Ces dernières constituent en effet la majeure partie de l'alimentation humaine. Parmi les céréales, le riz demeure l'aliment de base de la population mondiale, d'où son importance en terme de sécurité alimentaire. Durant mon travail de thèse, j'ai identifié et caractérisé le transporteur du riz impliqué dans l'apport de phosphate par ce type de symbiose AM. J'ai également démontré que le riz, lorsqu'il vit en symbiose, bénéficie de la presque totalité du Pi transporté par le champignon. Environ 40% de la production globale de riz est cultivée dans des conditions permettant la symbiose avec des mycorhizes arbusculaires. Les variétés de riz adaptées à ces conditions aérobiques deviennent des alternatives favorables aux cultivars actuels nécessitant une forte irrigation. Elles se révèlent en effet plus tolérantes aux pénuries d'eau et permettent l'utilisation de pratiques agricoles moins intensives. Les données présentées dans cette étude enrichissent nos connaissances concernant l'absorption du phosphate chez le riz grâce à la symbiose AM. Ces connaissances peuvent s'avérer décisives pour le développement de cultivars du riz plus adaptés à une agriculture écologiquement soutenable.

Distinct effects of inflammation on gliosis, osmohomeostasis, and vascular integrity during amyloid beta-induced retinal degeneration.

In normal retinas, amyloid-β (Aβ) accumulates in the subretinal space, at the interface of the retinal pigment epithelium, and the photoreceptor outer segments. However, the molecular and cellular effects of subretinal Aβ remain inadequately elucidated. We previously showed that subretinal injection of Aβ(1-42) induces retinal inflammation, followed by photoreceptor cell death. The retinal Müller glial (RMG) cells, which are the principal retinal glial cells, are metabolically coupled to photoreceptors. Their role in the maintenance of retinal water/potassium and glutamate homeostasis makes them important players in photoreceptor survival. This study investigated the effects of subretinal Aβ(1-42) on RMG cells and of Aβ(1-42)-induced inflammation on retinal homeostasis. RMG cell gliosis (upregulation of GFAP, vimentin, and nestin) on day 1 postinjection and a proinflammatory phenotype were the first signs of retinal alteration induced by Aβ(1-42). On day 3, we detected modifications in the protein expression patterns of cyclooxygenase 2 (COX-2), glutamine synthetase (GS), Kir4.1 [the inwardly rectifying potassium (Kir) channel], and aquaporin (AQP)-4 water channels in RMG cells and of the photoreceptor-associated AQP-1. The integrity of the blood-retina barrier was compromised and retinal edema developed. Aβ(1-42) induced endoplasmic reticulum stress associated with sustained upregulation of the proapoptotic factors of the unfolded protein response and persistent photoreceptor apoptosis. Indomethacin treatment decreased inflammation and reversed the Aβ(1-42)-induced gliosis and modifications in the expression patterns of COX-2, Kir4.1, and AQP-1, but not of AQP-4 or GS. Nor did it improve edema. Our study pinpoints the adaptive response to Aβ of specific RMG cell functions.

Stimulus statistics shape oscillations in nonlinear recurrent neural networks.

Rhythmic activity plays a central role in neural computations and brain functions ranging from homeostasis to attention, as well as in neurological and neuropsychiatric disorders. Despite this pervasiveness, little is known about the mechanisms whereby the frequency and power of oscillatory activity are modulated, and how they reflect the inputs received by neurons. Numerous studies have reported input-dependent fluctuations in peak frequency and power (as well as couplings across these features). However, it remains unresolved what mediates these spectral shifts among neural populations. Extending previous findings regarding stochastic nonlinear systems and experimental observations, we provide analytical insights regarding oscillatory responses of neural populations to stimulation from either endogenous or exogenous origins. Using a deceptively simple yet sparse and randomly connected network of neurons, we show how spiking inputs can reliably modulate the peak frequency and power expressed by synchronous neural populations without any changes in circuitry. Our results reveal that a generic, non-nonlinear and input-induced mechanism can robustly mediate these spectral fluctuations, and thus provide a framework in which inputs to the neurons bidirectionally regulate both the frequency and power expressed by synchronous populations. Theoretical and computational analysis of the ensuing spectral fluctuations was found to reflect the underlying dynamics of the input stimuli driving the neurons. Our results provide insights regarding a generic mechanism supporting spectral transitions observed across cortical networks and spanning multiple frequency bands.

International union of basic and clinical pharmacology. XCI. structure, function, and pharmacology of acid-sensing ion channels and the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na(+) channel (ENaC) and the acid-sensing ion channels (ASICs) form subfamilies within the ENaC/degenerin family of Na(+) channels. ENaC mediates transepithelial Na(+) transport, thereby contributing to Na(+) homeostasis and the maintenance of blood pressure and the airway surface liquid level. ASICs are H(+)-activated channels found in central and peripheral neurons, where their activation induces neuronal depolarization. ASICs are involved in pain sensation, the expression of fear, and neurodegeneration after ischemia, making them potentially interesting drug targets. This review summarizes the biophysical properties, cellular functions, and physiologic and pathologic roles of the ASIC and ENaC subfamilies. The analysis of the homologies between ENaC and ASICs and the relation between functional and structural information shows many parallels between these channels, suggesting that some mechanisms that control channel activity are shared between ASICs and ENaC. The available crystal structures and the discovery of animal toxins acting on ASICs provide a unique opportunity to address the molecular mechanisms of ENaC and ASIC function to identify novel strategies for the modulation of these channels by pharmacologic ligands.

Plasminogen activator inhibitor-1 activity and 4G/5G polymorphism in hemodialysis

Introduction: Chronic insufficiency alters homeostasis, in part due to endothelial inflammation. Plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) is increased in renal disease, contributing to vascular damage. We assessed PAI-1 activity and PAI-1 4G/5G polymorphism in hemodialysis (HD) subjects and any association between thrombotic vascular access (VA) events and PAI-1 polymorphism. Methods: Prospective, observational study in 36 HD patients: mean age: 66.6 +/- 12.5 yr, males n=26 (72%), time on HD: 28.71 +/- 22.45 months. Vascular accesses: 10 polytetrafluoroethylene grafts (PTFEG), 22 arteriovenous fistulae (AVF), four dual lumen catheters (CAT). Control group (CG): 40 subjects; mean age: 60.0 +/- 15 yrs, males n=30 (75%). Group A (GA): thrombotic events (n=12), and group B (GB): No events (n=24). Groups were no different according to age (69.2 +/- 9.12 vs. 65.3 +/- 14.5 yrs), gender (males: 7; 58.3% vs. 18; 81.8%), time on HD (26.1 +/- 14.7 vs. 30.1 +/- 38.7 months), causes of renal failure. Time to follow-up, for access thrombosis: 12 months. Results: PAI-1 levels in HD: 7.21 +/- 2.13 vs. CG: 0.42 +/- 0.27 U/ml (p < 0.000 1). PAI-1 4G/5G polymorphic variant distribution in HD: 5G/5G: 6 (17%),4G/5G: 23 (64%); 4G/4G: 7 (19%) and in CG: 5G/5G: 14 (35%); 4G/5G: 18 (45%); 4G/4G: 8 (20%). C-reactive protein (CRP) in HD: 24.5 +/- 15.2 mg/L vs. in CG 2.3 +/- 0.2 mg/L (p < 0.0001). PAI-1 4G/5G variants: GA: 5G/5G: 3; 4G/5G: 8; 4G/4G: 1; GB: 5G/5G: 3; 4G/5G: 15; 4G/4G: 6. Thrombosis occurred in 8/10 patients (80%) with PTFEG, 3/22 (9%) in AVF, and 1/4 (25%) in CAT. Among the eight PTFEG patients with thrombosis, seven were PAI 4G/5G. Conclusions: PAI-1 levels were elevated in HD patients, independent of their polymorphic variants, 4G/5G being the most prevalent variant. Our data suggest that in patients with PTFEG the 4G/5G variant might be associated with an increased thrombosis risk.

Fish Glucose Transporter (GLUT)-4 Differs from Rat GLUT4 in Its Traffic Characteristics but Can Translocate to the Cell Surface in Response to Insulin in Skeletal Muscle Cells

In mammals, glucose transporter (GLUT)-4 plays an important role in glucose homeostasis mediating insulin action to increase glucose uptake in insulin-responsive tissues. In the basal state, GLUT4 is located in intracellular compartments and upon insulin stimulation is recruited to the plasma membrane, allowing glucose entry into the cell. Compared with mammals, fish are less efficient restoring plasma glucose after dietary or exogenous glucose administration. Recently our group cloned a GLUT4-homolog in skeletal muscle from brown trout (btGLUT4) that differs in protein motifs believed to be important for endocytosis and sorting of mammalian GLUT4. To study the traffic of btGLUT4, we generated a stable L6 muscle cell line overexpressing myc-tagged btGLUT4 (btGLUT4myc). Insulin stimulated btGLUT4myc recruitment to the cell surface, although to a lesser extent than rat-GLUT4myc, and enhanced glucose uptake. Interestingly, btGLUT4myc showed a higher steady-state level at the cell surface under basal conditions than rat-GLUT4myc due to a higher rate of recycling of btGLUT4myc and not to a slower endocytic rate, compared with rat-GLUT4myc. Furthermore, unlike rat-GLUT4myc, btGLUT4myc had a diffuse distribution throughout the cytoplasm of L6 myoblasts. In primary brown trout skeletal muscle cells, insulin also promoted the translocation of endogenous btGLUT4 to the plasma membrane and enhanced glucose transport. Moreover, btGLUT4 exhibited a diffuse intracellular localization in unstimulated trout myocytes. Our data suggest that btGLUT4 is subjected to a different intracellular traffic from rat-GLUT4 and may explain the relative glucose intolerance observed in fish.