Long-term ex vivo expansion of human fetal liver primitive haematopoietic progenitor cells in stroma-free cultures

Successful expansion of haematopoietic cells in ex vivo cultures will have important applications in transplantation, gene therapy, immunotherapy and potentially also in the production of non-haematopoietic cell types. Haematopoietic stem cells (HSC), with their capacity to both self-renew and differentiate into all blood lineages, represent the ideal target for expansion protocols. However, human HSC are rare, poorly characterized phenotypically and genotypically, and difficult to test functionally. Defining optimal culture parameters for ex vivo expansion has been a major challenge. We devised a simple and reproducible stroma-free liquid culture system enabling long-term expansion of putative haematopoietic progenitors contained within frozen human fetal liver (FL) crude cell suspensions. Starting from a small number of total nucleated cells, a massive haematopoietic cell expansion, reaching > 1013-fold the input cell number after approximately 300 d of culture, was consistently achieved. Cells with a primitive phenotype were present throughout the culture and also underwent a continuous expansion. Moreover, the capacity for multilineage lymphomyeloid differentiation, as well as the recloning capacity of primitive myeloid progenitors, was maintained in culture. With its better proliferative potential as compared with adult sources, FL represents a promising alternative source of HSC and the culture system described here should be useful for clinical applications.

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé grand public Comme toute matière, la roche est sensible à son environnement et cherche à s'adapter pour acquérir un état stable (état d'équilibre). Les changements des conditions physiques (température et pression) vont ainsi impliquer des modifications dans la roche. Le métamorphisme est l'étude de ces changements. Les minéraux qui constituent la roche peuvent modifier, leur structure, leur chimie ou être remplacer par d'autres minéraux plus stables. Il est ainsi crucial de déterminer les processus responsables et limitant de la croissance minérale. Trois processus permettent la croissance ; (1) la dissolution des éléments du réactant, (2) le transport de ces éléments vers le site de croissance, (3) l'incorporation de ces éléments dans la nouvelle structure. Cette thèse se focalise sur les structures des minéraux de haute pression (forme, zonation chimique, structure interne) pour essayer de déterminer les facteurs importants à l'origine de leur état final. Les zones d'étude se situent dans la zone de Sésia. La première partie traite de la problématique liée à l'incorporation d'un élément dans une structure minérale. A l'image de la croissance humaine, les irrégularités minéralogiques permettent de mettre en lumière un dysfonctionnement de la croissance due à un excès ou à une carence d'un élément. Bien dosé, cet élément est cependant essentiel à la croissance. Les zoisites (épidotes) des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent une zonation chimique en sablier. Dans cette zonation la teneur en fer excède la capacité maximum que peut contenir la structure orthorhombique de la zoisite. Des défauts de structure permettent l'accommodation de cet excès. La zoisite peut ainsi adapter sa structure pour permettre l'incorporation d'une relativement grande quantité de fer. Les études précédentes montraient, pour des conditions similaires, la formation de deux épidotes distinctes. La deuxième partie se penche sur la compétition entre le minéral qui fait sa croissance et les minéraux (réactants) qui l'entourent. Les métapélites de la région du Monte Mucrone contiennent des grenats atollaires. Des études détaillées de la texture et de la zonation chimique du grenat ainsi qu'une modélisation thermodynamique ont permis de mieux cerner les facteurs importants responsables de la forme atollaire. Cette structure est obtenue par un changement du comportement de la croissance du grenat le long d'un chemin P-T hercynien. Dans un premier stade, le grenat croît rapidement et consume peu le quartz de la matrice. La croissance se fait ainsi le long des jointures des grains de quartz. Dans un second temps, les changements de conditions PT donnent une croissance lente du grenat et une forte consommation du quartz. Le grenat peut ainsi développer sa forme dodécaédrale classique. La troisième partie s'intéresse aux distances de transport par diffusion d'un élément (ici l'argon) durant la haute pression. Pour ce faire, un profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotite a été mesuré depuis un veine de haute pression riche en argon jusque dans son encaissant (granitoïd du Monte Mucrone). Le profile montre une répartition des âges suivant une courbe de diffusion. Le transport se fait sur une longueur de deux centimètre avec l'aide d'un fluide. Il est réduit à une échelle millimétrique quand la phase fluide disparaît. Cette étude montre ainsi les difficultés de transport des éléments durant la haute pression ne permettant pas un rééquilibrage de la roche à grande échelle. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé de thèse Les processus de croissance (diffusion des éléments et les réactions d'interface) et les conditions dans lesquelles les minéraux grandissent (température, pression, fluide, composition chimique de la roche), déterminent la texture ainsi que la zonation des minéraux. Cette thèse se focalise, par le biais de textures peu communes, sur trois différents processus impliqués dans la croissance minérale à haute pression (Zone de Sésia, Alpes de l'Ouest, Italie). L'incorporation d'un élément dans une structure minérale ne peut se faire que dans des sites en accord avec la taille et la charge ionique de l'élément. De plus, la balance de charge doit être maintenue dans le minéral. La régularité de la structure cristalline fixe ainsi une limite maximum de concentration d'un élément donné. Les zoisites provenant des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent des zonations en sablier caractérisées par une concentration anormale en fer. La zonation se marque par une différente teinte de biréfringence et par un plus grand angle d'extinction que le reste de la zoisite. Une inter-croissance de clinozoisite à l'intérieur de la structure orthorhombique de la zoisite peut ainsi être suspectée. Les analyses XRD (diffraction des rayons x) ainsi que les analyses Raman ne confirment pas cette suspicion. Seules les analyses TEM (microscope à électrons transmis) montrent des défauts de structure pouvant être interprétés comme des modules de clinozoisite. Ils ne peuvent cependant pas être considérés comme une phase thermodynamique. Un nouveau trou d'immiscibilité entre deux zoisite (X ep= 0.1 and Xep = 0.15) a ainsi pu être établi. Dans les métapélites la région du Monte Mucrone, des grenats fortement zonés montrent une évolution texturale singulière. Ils présentent une forme initiale de `champignon' qui se développe pour former une structure atollaire finale. L'étude conjuguée de la structure 3D et des zonations, ainsi que l'établissement d'un model thermodynamique, indiquent que ces structures proviennent de deux épisodes de croissances : (1) La croissance du grenat durant un chemin prograde hercynien (de 525 °C et 6.2 kbar à 640 °C et 9 kbar) permet la formation des textures atollaires. Elles sont le résultat d'une croissance poecilitique initiale suivie d'une croissance idiomorphique du grenat. (2) La structure est rendue plus complexe par la cristallisation d'un grenat homogène tout autour ainsi qu'à l'intérieur du grenat hercynien durant la haute pression alpine (550 °C and 20 kbar). L'arrivée de l'eau durant la haute pression facilite le transport d'éléments et permet une cristallisation rapide du grenat. La diffusion peut être un facteur limitant de la croissance minéralogique. Elle a aussi une grande importance pour la géochronologie. Une veine de haute pression à l'intérieur du granitoïde du Monte Mucrone a été étudiée dans le but de déterminer la distance de diffusion de l'argon. Le profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotites, établi de la veine vers le métagranitoïde, suit une courbe de diffusion. Les âges sont élevés proche de la veine (800 Ma) puis décroissent jusqu'à des âges homogènes (170-150 Ma) à deux centimètres de la veine. La présence de fluide, marqué par de hautes concentrations en chlore, permet une diffusion centimétrique. Cependant, la distance est réduite à une échelle millimétrique quand le fluide est absent. Les très faibles distances de diffusion préservent les âges pré-alpins et impliquent un événement géologique pour les âges de 170-150 Ma. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Thesis abstract Rock textures and zonings are the consequence of growth processes (element diffusion and interface reaction) steered by the environment in which they grew (pressure, differential stress, temperature, fluid and rock composition). The thesis presented here focuses on three different topics, each of it dealing with aspects of mineral growth processes during subduction, in a high-pressure environment. All studies were conducted in the Sesia Zone of the Western European Alps, Italy. The first study addresses the crystallography and geochemistry of element incorporation in zoisite, one of the major hydrous minerals found in subduction zone rocks. Elements can be incorporated into a mineral structure only on crystallographic sites that offer enough space for the ion and the overall charge balance has to be maintained. Element concentrations are hence limited. Incorporation of some elements produces complex zoning, including hourglass like patterns, which are the focus of the first contribution. Zoisites from Cima di Bonze (Sesia Zone) show spectacular hourglass zoning defined by Fe-content variations. The hourglass zones have a distinct birefringence and a different extinction angle than the regular part of the zoisite. We show by detailed XRD (X-ray diffraction) and confocal Raman analyses that the high Fe-zones are nevertheless zoisite, and not clinozoisite as one might expect. High resolution TEM (transmission electron microscopy) analyses show planar defects on (100) that can be interpreted as small-scale clinozoisite modules. However, these clinozoisites cannot be interpreted as a distinctive thermodynamic phase and the entire mineral has to be considered as zoisite. The miscibility gap between two zoisites (Xep = 0.1 and Xep = 0.15) can be then definite at 550 ± 50°C and 14 to 20 Kbar. Strongly zoned garnets in quartz rich metapelite from the Monte Mucrone area (Sesia Zone) show evolution form 3D mushroom to atoll structure. The second contribution presents textural investigations, garnet zoning and thermodynamic modeling that demonstrate that atoll garnets are the result of two distinctive growth events. (1) Garnet atoll structure is already formed during a prograde Hercynian path from 525 °C and 6.2 kbar to 640 °C and 9 kbar. It results in an initial poikilitic growth followed by a final idiomorphic growth event. (2) Alpine HP garnet are homogenous (550 °C and 20 kbar) and grew around and also inside the Hercynian garnet. Lack of prograde Alpine garnet and fast growth of the HP garnet is explained by the absence of water during much of the prograde path. Water saturation was only observed towards the end, close towards the peak metamorphic conditions. Diffusion could be a limiting factor for crystal growth. It has also a great importance in geochronology. HP vein inside the metagranitoide of the Monte Mucrone (~300 Ma) was investigated to determine argon diffusion scales during high-pressure metamorphism. 40Ar/39Ar biotite ages profile from the vein toward the metagranodiorite show a diffusion curve: old ages (800 Ma) located close to the vein decrease until homogenous 170-150 Ma ages are obtained, two centimeter away from the vein. Centimeter-scale diffusion occurs with help of a fluid phase marked by high chlorine concentrations. Argon diffusion is reduced to a millimeter scale when free fluid is absent. Very short diffusion distance permits to preserve pre-Alpine ages. The 170-150 Ma ages are considered to be geologic meaningful, probably resulting from the extensional tectonics linked to opening of the Tethian ocean.

Exploring the conditions for a mortality crisis: bringing context back into the debate

This study engages with the debate over the mortality crises in the former Soviet Union and Central and Eastern Europe by 1) considering at length and as complementary to each other the two most prominent explanations for the post-communist mortality crisis, stress and alcohol consumption; 2) emphasizing the importance of context by exploiting systematic similarities and differences across the region. Differential mortality trajectories reveal three country groups that cluster both spatially and in terms of economic transition experiences. The first group are the countries furthest west in which mortality rates increased minimally after the transition began. The second group experienced a severe increase in mortality rates in the early 1990s, but recovered previous levels within a few years. These countries are located peripherally to Russia and its nearest neighbours. The final group consists of countries that experienced two mortality increases or in which mortality levels had not recovered to pre-transition levels well into the 21st century. Cross-sectional time-series data analyses of men’s and women’s age and cause-specific death rates reveal that the clustering of these countries and their mortality trajectories can be partially explained by the economic context, which is argued to be linked to stress and alcohol consumption. Above and beyond many basic differences in the country groups that are held constant—including geographically and historically shared cultural, lifestyle and social characteristics—poor economic conditions account for a remarkably consistent share of excess age-specific and cause-specific deaths.

Cell-free reconstitution of vacuole membrane fragmentation reveals regulation of vacuole size and number by TORC1.

Size and copy number of organelles are influenced by an equilibrium of membrane fusion and fission. We studied this equilibrium on vacuoles-the lysosomes of yeast. Vacuole fusion can readily be reconstituted and quantified in vitro, but it had not been possible to study fission of the organelle in a similar way. Here we present a cell-free system that reconstitutes fragmentation of purified yeast vacuoles (lysosomes) into smaller vesicles. Fragmentation in vitro reproduces physiological aspects. It requires the dynamin-like GTPase Vps1p, V-ATPase pump activity, cytosolic proteins, and ATP and GTP hydrolysis. We used the in vitro system to show that the vacuole-associated TOR complex 1 (TORC1) stimulates vacuole fragmentation but not the opposing reaction of vacuole fusion. Under nutrient restriction, TORC1 is inactivated, and the continuing fusion activity then dominates the fusion/fission equilibrium, decreasing the copy number and increasing the volume of the vacuolar compartment. This result can explain why nutrient restriction not only induces autophagy and a massive buildup of vacuolar/lysosomal hydrolases, but also leads to a concomitant increase in volume of the vacuolar compartment by coalescence of the organelles into a single large compartment.

Reprogramming of human fibroblasts to induced pluripotent stem cells under xeno-free conditions

The availability of induced pluripotent stem cells (iPSCs)has created extraordinary opportunities for modeling andperhaps treating human disease. However, all reprogrammingprotocols used to date involve the use of products of animal origin. Here, we set out to develop a protocol to generate and maintain human iPSC that would be entirelydevoid of xenobiotics. We first developed a xeno-free cellculture media that supported the long-term propagation of human embryonic stem cells (hESCs) to a similar extent as conventional media containing animal origin products or commercially available xeno-free medium. We also derivedprimary cultures of human dermal fibroblasts under strictxeno-free conditions (XF-HFF), and we show that they can be used as both the cell source for iPSC generation as well as autologous feeder cells to support their growth. We also replaced other reagents of animal origin trypsin, gelatin, matrigel) with their recombinant equivalents. Finally, we used vesicular stomatitis virus G-pseudotyped retroviral particles expressing a polycistronic construct encoding Oct4, Sox2, Klf4, and GFP to reprogram XF-HFF cells under xeno-free conditions. A total of 10 xeno-free humaniPSC lines were generated, which could be continuously passaged in xeno-free conditions and aintained characteristics indistinguishable from hESCs, including colonymorphology and growth behavior, expression of pluripotency-associated markers, and pluripotent differentiationability in vitro and in teratoma assays. Overall, the resultspresented here demonstrate that human iPSCs can be generatedand maintained under strict xeno-free conditions and provide a path to good manufacturing practice (GMP) applicability that should facilitate the clinical translation of iPSC-based therapies.