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.

A perfect day for zebrafish : neuromodulation of sleep in a diurnal vertebrate

Every day, we shift among various states of sleep and arousal to meet the many demands of our bodies and environment. A central puzzle in neurobiology is how the brain controls these behavioral states, which are essential to an animal's well-being and survival. Mammalian models have predominated sleep and arousal research, although in the past decade, invertebrate models have made significant contributions to our understanding of the genetic underpinnings of behavioral states. More recently, the zebrafish (Danio rerio), a diurnal vertebrate, has emerged as a promising model system for sleep and arousal research.

In this thesis, I describe two studies on sleep/arousal pathways that I conducted using zebrafish, and I discuss how the findings can be combined in future projects to advance our understanding of vertebrate sleep/arousal pathways. In the first study, I discovered a neuropeptide that regulates zebrafish sleep and arousal as a result of a large-scale effort to identify molecules that regulate behavioral states. Taking advantage of facile zebrafish genetics, I constructed mutants for the three known receptors of this peptide and identified the one receptor that exclusively mediates the observed behavioral effects. I further show that the peptide exerts its behavioral effects independently of signaling at a key module of a neuroendocrine signaling pathway. This finding contradicts the hypothesis put forth in mammalian systems that the peptide acts through the classical neuroendocrine pathway; our data further generate new testable hypotheses for determining the central nervous system or alternative neuroendocrine pathways involved.

Second, I will present the development of a chemigenetic method to non-invasively manipulate neurons in the behaving zebrafish. I validated this technique by expressing and inducing the chemigenetic tool in a restricted population of sleep-regulating neurons in the zebrafish. As predicted by established models of this vertebrate sleep regulator, chemigenetic activation of these neurons induced hyperactivity, whereas chemigenetic ablation of these neurons induced increased sleep behavior. Given that light is a potent modulator of behavior in zebrafish, our proof-of-principle data provide a springboard for future studies of sleep/arousal and other light-dependent behaviors to interrogate genetically-defined populations of neurons independently of optogenetic tools.