Why human islets die? analysis of death signaling pathways during isolation and following cytokine treatments

RESUME Le diabète de type 1 se définit comme un désordre métabolique d'origine auto-immune qui aboutit à la destruction progressive et sélective de la cellule ß-pancréatique sécrétrice d'insuline. Cette maladie représente 10 % des cas de diabète enregistrés dans la population mondiale, et touche les jeunes de moins de 20 ans. Le traitement médical par insulinothérapie corrige le manque d'hormone mais ne prévient pas les nombreuses complications telles que les atteintes cardiaques, neurologiques, rénales, rétiniennes, et les amputations que la maladie provoque. Le remplacement de la cellule ß par transplantation d'îlots de Langerhans est une alternative prometteuse au traitement médical du diabète de type 1. Cependant la greffe d'îlots est encore un traitement expérimental et ne permet pas un contrôle efficace de la glycémie au long terme chez les patients transplantés, et les raisons de cet échec restent mal comprises. L'obstacle immédiat qui se pose est la purification d'un nombre suffisant d'îlots viables et la perte massive de ces îlots dans les premières heures suite à la greffe. Cette tendance presque systématique de la perte fonctionnelle du greffon immédiatement après la transplantation est connue sous le terme de « primary graft non-function » (PNF). En effet, la procédure d'isolement des îlots provoque la destruction des composantes cellulaires et non cellulaires du tissu pancréatique qui jouent un rôle déterminant dans le processus de survie de l'îlot. De plus, la transplantation elle-même expose les cellules à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui encourage la mort cellulaire par apoptose et provoque par la suite le rejet de la greffe. L'ensemble de ces mécanismes aboutit a une perte de la masse d'îlot estimée a plus de 60%. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot par apoptose lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines. L'ensemble des résultats obtenus indique que plusieurs voies de signalisation intracellulaire sont recrutées qui s'activent de manière maximale très tôt lors des premières phases de l'isolement. La mise en culture des îlots deux jours permet aux voies activées de revenir aux taux de base. De ce fait nous proposons une stratégie dite de protection qui doit être 1) initiée aussitôt que possible lors de l'isolement des îlots pancréatiques, 2) devrait probablement bloquer l'activation de ces différentes voies de stress mis en évidence lors de notre étude et 3) devrait inclure la mise en culture des îlots purifiés deux jours après l'isolement et avant la transplantation. RESUME LARGE PUBLIC Le diabète est une maladie qui entraîne un taux anormalement élevé de sucre (glucose) dans le sang du à une insuffisance du pancréas endocrine à produire de l'insuline, une hormone qui régule la glycémie (taux de glucose dans le sang). On distingue deux types majeurs de diabètes; le diabète de type 1 ou juvénile ou encore appelé diabète maigre qui se manifeste souvent pendant l'enfance et qui se traduit par une déficience absolue en insuline. Le diabète de type 2 ou diabète gras est le plus fréquent, et touche les sujets de plus de 40 ans qui souffrent d'obésité et qui se traduit par une dysfonction de la cellule ß avec une incapacité à réguler la glycémie malgré la production d'insuline. Dans le diabète de type 1, la destruction de la cellule ß est programmée (apoptose) et est majoritairement provoquée par des médiateurs inflammatoires appelés cytokines qui sont produites localement par des cellules inflammatoires du système immunitaire qui envahissent la cellule ß-pancréatiques. Les cytokines activent différentes voies de signalisation parmi lesquelles on distingue celles des Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPKs) composées de trois familles de MAPKs: ERK1/2, p38, et JNK, et la voie NF-κB. Le traitement médical par injections quotidiennes d'insuline permet de contrôler la glycémie mais ne prévient pas les nombreuses complications secondaires liées à cette maladie. La greffe d'îlots de Langerhans est une alternative possible au traitement médical, considérée avantageuse comparée a la greffe du pancréas entier. En effet l'embolisation d'îlots dans le foie par injection intraportale constitue une intervention simple sans complications majeures. Néanmoins la technique de préparation d'îlots altère la fonction endocrine et cause la perte massive d'îlots pancréatiques. De plus, la transplantation elle-même expose la cellule ß à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui provoque le rejet de greffon cellulaire. Dans la perspective d'augmenter les rendements des îlots purifiés, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines après transplantation. L'ensemble de ces résultats indique que le stress induit lors de l'isolement des îlots et celui des cytokines recrute différentes voies de signalisation intracellulaire (JNK, p38 et NF-κB) qui s'additionnent entre-elles pour altérer la fonction et la viabilité de l'îlot. De ce fait une stratégie doit être mise en place pour bloquer toute action synergique entre ces différentes voies activées pour améliorer la viabilité et la fonction de la cellule ß lors du greffon cellulaire. SUMMARY Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is an autoimmune disease characterized by the progressive and selective destruction of the pancreatic ß-cells that secrete insulin, leading to absolute insulin deficiency. T1DM accounts for about 10% of all diabetes cases, affecting persons younger than 20 years of age. Medical treatment using daily exogenous insulin injection corrects hormone deficiency but does not prevent devastating complications such as heart attack, neuropathy, kidney failure, blindness, and amputation caused by the disease. Pancreatic islet transplantation (PIT) is one strategy that holds promise to cure patients with T1DM, but purified pancreatic islet grafts have failed to maintain long-term glucose homeostasis in human recipients, the reasons for this failure being still poorly understood. There is however a more immediate problem with islet grafting that is dependent upon poor islet recovery from donors and early islet loss following the first hours of grafting. This tendency of islet grafts to fail to function within a short period after transplantation is termed primary graft non-function (PNF). Indeed, the islet isolation procedure itself destroys cellular and non-cellular components of the pancreas that may play a role in supporting islet survival. Further, islet transplantation exposes cells to a variety of stressful stimuli, notably pro-inflammatory cytokines that encourage ß-cell death by apoptosis and lead to early graft failure. Altogether these mechanisms lead to an estimated loss of 60% of the total islet mass. Here, we have mapped the major intracellular stress signaling pathways that may mediate human islet loss by apoptosis during isolation and following cytokine attack. We found that several stress pathways are maximally activated from the earliest stages of the isolation procedure. Culturing islet for two days allow for the activated pathways to return to basal levels. We propose that protective strategies should 1) be initiated as early as possible during isolation of the islets, 2) should probably target the activated stress pathways that we uncovered during our studies and 3) should include culturing islets for two days post-isolation and prior transplantation.

Discovery of novel arenavirus receptors and entry factors

Arenaviruses are enveloped negative-strand RNA viruses that contain a bi-segmented genome. They are rodent-borne pathogens endemic to the Americas and Africa, with the exception of lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) that is world-wide distributed. The arenaviruses include numerous important human pathogens including the Old World arenavirus Lassa virus (LASV), the causative agent of a severe viral hemorrhagic fever in humans with several hundred thousand infections per year in Africa and thousands of deaths. Viruses are obligatory intracellular parasites, strictly depending on cellular processes and factors to complete their replication cycle. The binding of a virus to target cells is the first step of every viral infection, and is mainly mediated by viral proteins that can directly engage cellular receptors, providing a key determinant for viral tropism. This early step of infection represents a promising target to block the pathogen before it can take control over the host cell. Old World arenaviruses, such as LASV and LCMV, bind to host cells via attachment to their main receptor, dystroglycan (DG), an ubiquitous receptor for extracellular matrix proteins. The engagement of DG by LASV results in a fast internalization and transfer the virus to late endosomal compartment suggesting that the virus binding to DG causes marked changes in the dynamics of the receptor. These events could result in the clustering of the receptor and subsequent induction of signaling that could be modulated by the virus. Recently, numerous findings also suggest the presence of alternative receptor(s) for LASV in absence of the main DG receptor. In my first project, I was interested to investigate the effects of virus-receptor binding on the tyrosine phosphorylation of the cytoplasmic domain of DG and to test if this post-translational modification was crucial for the internalization of the LASV-receptor complex. We found that engagement of cellular DG by a recombinant LCMV expressing the envelope GP of LASV in human epithelial cells induced tyrosine phosphorylation of the cytoplasmic domain of DG. LASV GP binding to DG further resulted in dissociation of the adapter protein utrophin from virus-bound DG. Virus-induced dissociation of utrophin and consequent virus internalization were affected by the broadly specific tyrosine kinase inhibitor genistein. We speculate that the detachment of virus- bound DG from the actin-based cytoskeleton following DG phosphorylation may facilitate subsequent endocytosis of the virus-receptor complex. In the second project, I was interested to characterize the newly indentified LASV alternative receptor Axl in the context of productive arenavirus infection. In a first step, we demonstrated that Axl supports productive infection by rLCMV-LASVGP in a DG-independent manner. In line with previous studies, cell entry of rLCMV-LASVGP via Axl was less efficient when compared to functional DG. Interestingly, Axl-mediated infection showed rapid kinetics similar to DG-dependent entry. Using a panel of inhibitors, we found that Axl-mediated cell entry of rLCMV-LASVGP involved a clathrin-independent pathway that critically depended on actin and dynamin and was sensitive to EIPA but not to PAK inhibitors, compatible with a macropinocytosis-like mechanism of entry. In a next step, we aimed to investigate the molecular mechanism by which rLCMV-LASVGP recognizes Axl. Phosphatidylserine (PS) is the natural ligand of Axl via the adaptor protein Gas6. We detected the presence of PS in the envelope of Old World arenaviruses, suggesting that PS could mediate Axl-virus binding, in a mechanism of apoptotic mimicry already described for other viruses. Whether envelope PS and/or the GP of LASV plays any role in virus entry via Axl is still an open question. The molecular mechanisms underlying host cell-virus interaction are of particular interest to answer basic scientific questions as well as to apply key findings to translational research. Understanding pathogen induced-signaling and its link to invasion of the host cell is of great importance to develop drugs for therapeutic intervention against highly pathogenic viruses like LASV. - Les Arenavirus sont des virus enveloppés à ARN négatifs organisés sous forme de génome bisegmenté. Ils sont véhiculés par les rongeurs et se retrouvent de manière endémique aux Amériques et en Afrique avec l'exception du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) qui lui est distribué mondialement. De nombreux pathogènes humains font parti de la famille des Arenavirus dont le virus de l'Ancien Monde Lassa (LASV), un agent responsable de fièvres hémorragiques sévères chez les humains. Le virus de Lassa cause plusieurs centaines de milliers d'infections par année en Afrique ainsi que des milliers de morts. De manière générale, les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires qui dépendent strictement de processus et facteurs cellulaires pour clore leur cycle de réplication. L'attachement d'un virus à sa cellule cible représente la première étape de chaque infection virale et est principalement dirigée par des protéines virales qui interagissent directement avec leur récepteurs cellulaires respectifs fournissant ainsi un indicateur déterminant pour le tropisme d'un virus. Cette première étape de l'infection représente aussi une cible prometteuse pour bloquer le pathogène avant qu'il ne puisse prendre le contrôle de la cellule. Les Arenavirus de l'Ancien Monde comme LASV et LCMV s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur principal, le dystroglycan (DG), un récepteur ubiquitaire pour les protéines de la matrice extracellulaire. La liaison du DG par LASV résulte en une rapide internalisation transférant le virus aux endosomes tardifs suggérant ainsi que l'attachement du virus au DG peut provoquer des changements marqués dans la dynamique moléculaire du récepteur. Ces événements sont susceptibles d'induire un regroupement du récepteur à la surface cellulaire, ainsi qu'une induction subséquente qui pourrait être, par la suite, modulée par le virus. Récemment, plusieurs découvertes suggèrent aussi la présence d'un récepteur alternatif pour LASV en l'absence du récepteur principal, le DG. Concernant mon premier projet, j'étais intéressée à étudier les effets de la liaison virus- récepteur sur la phosphorylation des acides aminés tyrosines se trouvant dans la partie cytoplasmique du DG, le but étant de tester si cette modification post-translationnelle était cruciale pour Γ internalisation du complexe LASV-DG récepteur. Nous avons découvert que l'engagement du récepteur DG par le virus recombinant LCMV, exprimant la glycoprotéine de LASV, dans des cellules épithéliales humaines induit une phosphorylation de résidu(s) tyrosine se situant dans le domaine cytoplasmique du DG. La liaison de la glycoprotéine de LASV au DG induit par la suite la dissociation de la protéine adaptatrice utrophine du complexe virus-DG récepteur. Nous avons observé que cette dissociation de l'utrophine, induite par le virus, ainsi que son internalisation, sont affectées par l'inhibiteur à large spectre des tyrosines kinases, la génistéine. Nous avons donc supposé que le détachement du virus, lié au récepteur DG, du cytosquelette d'actine suite à la phosphorylation du DG faciliterait l'endocytose subséquente du complexe virus-récepteur. Dans le second projet, j'étais intéressée à caractériser le récepteur alternatif Axl qui a été récemment identifié dans le contexte de l'infection productive des Arenavirus. Dans un premier temps, nous avons démontré que le récepteur alternatif Axl permet l'infection des cellules par le virus LCMV recombinant LASV indépendamment du récepteur DG. Conformément aux études publiées précédemment, nous avons pu observer que l'entrée du virus recombinant LASV via Axl est moins efficace que via le récepteur principal DG. De façon intéressante, nous avons aussi remarqué que l'infection autorisée par Axl manifeste une cinétique virale d'entrée similaire à celle observée avec le récepteur DG. Utilisant un éventail de différents inhibiteurs, nous avons trouvé que l'entrée du virus recombinant rLCMV-LASVGP via Axl implique une voie d'entrée indépendante de la clathrine et dépendant de manière critique de l'actine et de la dynamine. Cette nouvelle voie d'entrée est aussi sensible à l'EIPA contrairement aux inhibiteurs PAK indiquant un mécanisme d'entrée compatible avec un mécanisme de macropinocytose. L'étape suivante du projet a été d'investiguer le mécanisme moléculaire par lequel le virus recombinant rLCMV-LASVGP reconnaît le récepteur alternatif Axl. La phosphatidylsérine (PS) se trouve être un ligand naturel pour Axl via la protéine adaptatrice Gas6. Nous avons détecté la présence de PS dans l'enveloppe des Arenavirus du Vieux Monde suggérant que la PS pourrait médier la liaison du virus à Axl dans un mécanisme de mimétisme apoptotique déjà observé et décrit pour d'autres virus. Cependant, il reste encore à déterminer qui de la PS ou de la glycoprotéine de l'enveloppe virale intervient dans le processus d'entrée de LASV via le récepteur alternatif Axl. Les mécanismes moléculaires à la base de l'interaction entre virus et cellule hôte sont d'intérêts particuliers pour répondre aux questions scientifiques de base ainsi que dans l'application de découvertes clés pour la recherche translationnelle. La compréhension de la signalisation induite par les pathogènes ainsi que son lien à l'invasion de la cellule hôte est d'une importance considérable pour le développement de drogues pour l'intervention thérapeutique contre les virus hautement pathogènes comme LASV.

Etude des effets du monoxyde d'azote (NO) sur le métabolisme des acides gras libres à partir d'un modèle de souris invalidée pour le gène de la NO synthase endothéliale

RESUME GENERAL Au cours de ces dernières années, le monoxyde d'azote (NO) produit par une famille d'enzymes, les NO synthases (NOS), est apparu comme un effecteur central dans la régulation du système cardiovasculaire et du métabolisme énergétique. Chez l'homme, un défaut de production du NO est associé à des maladies cardiovasculaires et métaboliques comme la résistance à l'insuline ou le diabète de type 2. Ces pathologies se retrouvent chez les souris invalidées pour la NO synthase endothéliale (eN0S-/-) qui présentent non seulement une hypertension mais également une résistance à l'insuline et une dyslipidémie (augmentation des triglycérides et des acides gras libres). Ces anomalies sont étroitement associées et impliquées dans le développement du diabète de type 2. Dans cette étude, nous avons essayé de déterminer à partir du modèle de souris eN0S-/-, l'influence de la eNOS et de son produit, le NO, sur la régulation du métabolisme lipidique intracellulaire. Ainsi, nous avons montré que cette enzyme et le NO régulent directement l'activité β-oxydative des mitochondries isolées du muscle squelettique, du muscle cardiaque et du tissu adipeux blanc. Par ailleurs, dans le muscle de ces souris, le contenu des mitochondries et l'expression des gènes impliqués dans leur biogénèse sont diminués, ce qui suggère que la eNOS et/ou le NO contrôlent également la synthèse de ces organelles. Les mitochondries, via la β-oxydation, sont impliquées dans la production d'énergie à partir des acides gras libres. Dans notre modèle animal, la diminution de la β-oxydation dans le muscle, s'accompagne d'une accumulation des triglycérides intramyocellulaires. Cette accumulation prédispose fortement au développement de la résistance à l'insuline. Les anomalies du métabolisme β-oxydatif favorisent donc probablement l'apparition de la dyslipidémie et le développement de la résistance à l'insuline observées chez les souris eN0S-/-. Cette hypothèse est soutenue par différentes études effectuées chez l'homme et l'animal qui suggèrent qu'une dysfonction mitochondriale peut être à l'origine de la résistance à l'insuline. Ces données récentes et les résultats de ce travail apportent un regard nouveau sur le rôle du NO dans le développement des maladies métaboliques que sont la résistance à l'insuline, le diabète de type 2 et l'obésité. Elles placent aux centres de ces mécanismes une organelle, la mitochondrie, située au carrefour des métabolismes glucidiques et lipidiques. SUMMARY Over the last years, nitric oxide (NO), synthesized by a family of enzymes, the NO synthases, has become a central regulator of the cardiovascular system and energy metabolism. In humans, defective NO production is found in cardiovascular and metabolic diseases such as insulin resistance or type 2 diabetes mellitus. These alterations are also found in knockout mice for the endothelial nitric oxide synthase (eN0S-/-), which are not only hypertensive but also display insulin resistance and dyslipidemia (with increased triglyceride and free fatty acid levels). These pathologic features are tightly linked and involved in the pathogenesis of type 2 DM. In this study, using eN0S-/- mice, we determined the role played by this enzyme and its product, NO, on intracellular lipid metabolism. We show that eNOS and NO directly regulate β-oxidation in mitochondria isolated from skeletal and cardiac muscle as well as white adipose tissue. Furthermore, in the skeletal muscle of these mice, the mitochondrial content and the expression of genes involved in mitochondrial biogenesis are decreased, suggesting that eNOS and/or NO also regulate the synthesis of this intracellular organelle. Mitochondria, through β-oxidation, play a role in energy production from free fatty acids. In our animal model, decreased β-oxidation in skeletal muscle is associated with accumulation of intramyocellular lipids. This increased lipid content plays an important role in the pathogenesis of insulin resistance. Defective β-oxidation, therefore, probably favours the development of insulin resistance and dyslipidemia as seen in these animals. This hypothesis is strengthened by studies in humans and animals indicating that mitochondrial dysfunction is associated with insulin resistance. These recent data and the results of this work provide evidence for a role of NO in the development of metabolic diseases such as insulin resistance or type diabetes mellitus. They put as a central player, an organelle, the mitochondria, which lies at the crossway of carbohydrate and lipid metabolism. RESUME DIDACTIQUE Le maintien des fonctions vitales et l'accomplissement d'une activité physique nécessitent, chez l'homme, un apport quotidien d'énergie. Cette énergie est présente, dans l'alimentation, principalement sous forme de graisses (lipides) ou de sucres. La production d'énergie s'effectue en majorité dans le muscle au niveau d'une organelle particulière, la mitochondrie. La régulation du métabolisme énergétique fait intervenir de nombreux facteurs de régulation dont l'un des plus connu est l'insuline. De nombreuses maladies comme le diabète de type 2, l'obésité ou le syndrome métabolique découlent de la dérégulation du métabolisme énergétique. Un mécanisme particulier, la résistance à l'insuline, qui se caractérise par un défaut d'action de l'insuline au niveau de ses tissus cibles (foie, muscle...) est souvent impliqué dans le développement de ces pathologies. L'étude de ces anomalies métaboliques nécessite l'utilisation de modèles, notamment animaux, qui ont la particularité de reproduire partiellement un état pathologique caractéristique de certaines maladies humaines. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle de souris dont la particularité est de ne pas exprimer une enzyme, la monoxyde d'azote (NO) synthase endothéliale (eNOS), responsable de la synthèse d'un gaz, le NO. Ces souris présentent une hypertension artérielle, des anomalies du métabolisme des lipides et une résistance à l'insuline. Or, de récents travaux effectués chez l'homme montrent que des individus insulino-résistants ou diabétiques de type 2 ont une diminution de la production de NO. Lors de nos investigations, nous avons démontré que la quantité et la capacité des mitochondries à utiliser les lipides comme substrat énergétique est diminuée dans les muscles des souris eN0S-/-. Par ailleurs, ces deux anomalies sont associées dans ce tissu à une accumulation des lipides. De façon très intéressante, ce phénomène est décrit dans de nombreuses études effectuées chez l'homme et l'animal comme favorisant le développement de la résistance à l'insuline. Les résultats de ce travail suggèrent donc que la eNOS et/ou le NO joue un rôle important dans l'activité et la synthèse des mitochondries. Le NO pourrait donc constituer une cible thérapeutique dans le traitement des maladies métaboliques.

Linking microtubules to the activation of CDC42 in fission yeast

Cell polarity is an essential property of most cell types and relies on a dynamic cytoskeleton of actin filaments and microtubules. In rod-shaped S. pombe cells microtubules are organized along the length of the cell and transport polarity factors to cell tips to regulate cell polarity. An important cell polarity factor is the protein Tea4, which is responsible for correct cell morphogenesis and bipolar growth. During my research I confirmed the known transport mechanism of Tea4 and I also showed alternative localization and anchoring mechanisms at the cell ends. Tea4 contains a conserved SH3 domain, the function of which was unknown and my results show that the SH3 domain of Tea4 is essential for Tea4 function in vivo. First, cells with tea4SH3 mutations show aberrant cell shapes and monopolar growth patterns similar to tea4A and in addition SH3 domain is important for proper localization of multiple cell polarity proteins. Second, I showed that Tea4 associates with Type 1 Phosphatase Dis2 through both its SH3 domain and an RVxF motif. Tea4 also binds the DYRK kinase Pomi through its SH3 domain. In addition Tea4 is proposed to promote the local dephosphorylation of Pomi by Dis2 to induce the formation of a cortical gradient from cell ends essential for cell size homeostasis. Polarized growth is also controlled by cell tip-localized Cdc42. This Rho- family GTPase is activated by the Guanine Exchange Factors Gef1 and Scd1 and inactivated by the Rho GTPase Activating Protein Rga4. In this study, I investigated the mechanisms of how Tea4 promotes Cdc42 activation. My work suggests that Tea4 promotes the local exclusion of Rga4, which in turn allows the accumulation of active Cdc42, which may result in growth. Exclusion of Rga4 by Tea4 is likely to be mediated by Dis2-dependent dephosphorylation. These results suggest a molecular pathway that links the microtubule- associated factor Tea4 with Cdc42 to promote cell polarization and morphogenesis. - La polarité cellulaire est une propriété essentielle de la plupart des types cellulaires et s'appuie sur une dynamique des cytosquelettes d'actine et de microtubules. Dans les cellules en forme de bâtonnet de S. pombe les microtubules sont alignés selon l'axe longitudinal de la cellule et les facteurs de polarité transportés aux extrémité cellulaires afin de réguler la polarité cellulaire. Un facteur important de polarité cellulaire est la protéine Tea4, qui est responsable de la morphogenèse des cellules et leur croissance bipolaire. Au cours de mes recherches, j'ai confirmé les mécanismes connus de transport de Tea4 et j'ai aussi mis en évidence d'autres mechanismes de localisation et d'ancrage de Tea4 aux extrémités cellulaires. Tea4 contient un domaine SH3 conservé, dont la fonction était inconnue et mes résultats montrent que le domaine SH3 est essentiel pour la fonction de Tea4 in vivo. Tout d'abord, les cellules avec des mutations tea4sm ont des formes aberrantes et leur croissance est monopolaire de manière similaire au mutant tea4A. De plus ce domaine SH3 est important pour la localisation correcte de plusieurs protéines de polarité cellulaire. Deuxièmement, j'ai montré que Tea4 s'associe avec la Phosphatase de Type-1 Dis2 par son domaine SH3 et un motif RVxF. Tea4 se lie également la kinase DYRK Pomi par son domaine SH3. De plus, Tea4 pourrait favoriser la déphosphorylation locale de Pomi par Dis2 afin d'induire la formation d'un gradient cortical de Pomi essentiel pour l'homéostasie de la longueur des cellules. La croissance polarisée est également contrôlée par la protéine Cdc42 localisée aux extrémités cellulaires. Cette GTPase de la famille de Rho GTPase est activée par les facteurs échange de guanine Gef1 et Scd1 et inactivée par la protéine "Rho GTPase activating" Rga4. Dans cette étude, j'ai étudié les mécanismes d' activation de Cdc42 par Tea4. Mes résultats suggèrent que Tea4 favorise l'exclusion locale de Rga4, ce qui permet l'accumulation de Cdc42 active, nécessaire à la croissance. L' exclusion de Rga4 par Tea4 est vraisemblablement médiée par une déphosphorylation Dis2- dépendente. Ces résultats suggèrent une voie moléculaire qui lie le facteur associé aux microtubules Tea4 à Cdc42 pour promouvoir la polarisation cellulaire et la morphogenèse. - Cell polarity is important for several essential biological functions such as generation of distinct cell fates during development and function of differentiated cells. Defective cell polarity has been related to uncontrolled cell division and subsequently to cancer initiation. Cell polarity depends on a functional cytoskeleton that consists of actin filaments and microtubules, which maintains cell shape, helps cellular motion, enables intracellular protein transport and plays a vital role in cell division. A component of cytoskeleton is microtubules that regulate cell polarization in diverse cell types. During my research, I worked with Schizosaccharomyces pombe, also named fission yeast, a powerful unicellular model organism that allows combination of genetic, biochemical and microscopic analysis for the proper study of cell polarity. Microtubule-associated protein Tea4 is transported to cell tips where it is thought to organize polarized growth. I showed that Tea4 and its evolutionarily conserved SH3 domain play an important role for maintenance of fission yeast cells shape and growth. Furthermore, Tea4 is responsible for the proper localization of multiple polarity proteins and acts as a mediator to control the local activity of an essential polarity regulator called Cdc42. Thus, my results provide a better understanding of the molecular mechanisms that regulate cell polarity. - La polarité cellulaire est importante pour plusieurs fonctions biologiques essentielles telles que la différenciation cellulaires au cours du développement et de la fonction de cellules différenciées. Les défauts de la polarité cellulaire ont été liés à des divisions cellulaires incontrôlées et à l'initiation de tumeur. La polarité cellulaire dépend d'un cytosquelette fonctionnel, qui maintient la forme des cellules, aide à la migration cellulaire, permet le transport intracellulaire des protéines et joue un rôle essentiel dans la division cellulaire. Un composant du cytosquelette est constitué de microtubules qui régissent la polarisation cellulaire dans divers types cellulaires. Au cours de mes recherches, j'ai travaillé avec Schizosaccharomyces pombe, appelé également levure fissipare, un modèle unicellulare puissant qui permet la combinaison de différentes d'approches expérimentales: génétiques, biochimiques et microscopiques pour l'étude de la polarité cellulaire. La protéine Tea4 associée aux microtubules est transportée aux extrémités cellulaires où elle organise la croissance polarisée. J'ai montré que Tea4 et son domaine conservé SH3 jouent un rôle important pour le maintien de la forme des cellules de levure et leur croissance. De plus, Tea4 est responsable de la localisation correcte de multiples facteurs de polarité et agit comme un médiateur pour contrôler l'activité locale d'un régulateur de polarité essentiel appelé Cdc42. Ainsi, mes résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui régulent la polarité cellulaire.

Syndrome métabolique, une maladie mitochondriale? [Metabolic syndrome, a mitochondrial disease?]

Le syndrome métabolique (SM) associe dyslipidémie, hypertension, intolérance au glucose, état pro-inflammatoire/prothrombotique et surpoids, dont nous vous présentons une hypothèse physiopathologique émergente. Des recherches récentes ont montré que des dysfonctions mitochondriales induisent l'accumulation intracellulaire d'acylCoA et de diacylglycérol, inactivant la signalisation de l'insuline par un effet direct sur les transporteurs du glucose insulino-dépendants. Un défaut de la phosphorylation oxydative conduirait à l'insulino-résistance. Des atteintes de la fonction mitochondriale sont présentes dans le muscle, le foie, le pancréas et les vaisseaux sanguins et contribuent aux manifestations cliniques. Ces observations des atteintes mitochondriales nous montrent un lien entre la clinique et la physiopathologie du SM. The metabolic syndrome is a cluster of metabolic risk factors including: atherogenic dyslipidemia, elevated blood pressure, high plasma glucose and a prothrombotic and proinflammatory state, frequently associated to overweight. Impaired cell metabolism has been suggested as a relevant pathophysiological process. Indeed, the accumulation of intracellular fatty acylCoA and diacylglycerol, which then activate critical signal transduction pathways that ultimatly lead to suppression of insulin signalisation. Therefore a defect in mitochondrial function may be responsible for insulin resistance. Moreover, mitochondrial dysfunction has been found to take place in organs such as skeletal muscle, liver, pancreas and smoth vascular cells suggesting that mitochondrial defect could play a critical role in the occurence of cardiovascular diseases.

"In vitro" study of the molecular mechanism of the "E.Coli" Hsp 70/Hsp40/NEF chaperone system and its interactions with ?-sinuclein

SUMMARY Under stressful conditions, mutant or post-translationally modified proteins may spontaneously misfold and form toxie species, which may further assemble into a continuum of increasingly large and insoluble toxic oligomers that may further condense into less toxic, compact amyloids in the cell Intracellular accumulation of aggregated proteins is a common denominator of several neurodegenerative diseases. To cope with the cytotoxicity induced by abnormal, aggregated proteins, cells have evolved various defence mechanisms among which, the molecular chaperones Hsp70. Hsp70 (DnaK in E. coii) is an ATPase chaperone involved in many physiological processes in the cell, such as assisting de novo protein folding, dissociating native protein oligomers and serving as pulling motors in the import of polypeptides into organelles. In addition, Hsp70 chaperones can actively solubilize and reactivate stable protein aggregates, such as heat- or mutation-induced aggregates. Hsp70 requires the cooperation of two other co-chaperones: Hsp40 and NEF (Nucleotide exchange factor) to fulfil its unfolding activity. In the first experimental section of this thesis (Chapter II), we studied by biochemical analysis the in vitro interaction between recombinant human aggregated α-synuclein (a-Syn oligomers) mimicking toxic a-Syn oligomers species in PD brains, with a model Hsp70/Hsp40 chaperone system (the E. coii DnaK/DnaJ/GrpE). We found that chaperone-mediated unfolding of two denatured model enzymes were strongly affected by α-Syn oligomers but, remarkably, not by monomers. This in vitro observed dysfunction of the Hsp70 chaperone system resulted from the sequestration of the Hsp40 proteins by the oligomeric α-synuclein species. In the second experimental part (Chapter III), we performed in vitro biochemical analysis of the co-chaperone function of three E. coii Hsp40s proteins (DnaJ, CbpA and DjlA) in the ATP-fuelled DnaK-mediated refolding of a model DnaK chaperone substrate into its native state. Hsp40s activities were compared using dose-response approaches in two types of in vitro assays: refolding of heat-denatured G6PDH and DnaK-mediated ATPase activity. We also observed that the disaggregation efficiency of Hsp70 does not directly correlate with Hsp40 binding affinity. Besides, we found that these E. coii Hsp40s confer substrate specificity to DnaK, CbpA being more effective in the DnaK-mediated disaggregation of large G6PDH aggregates than DnaJ under certain conditions. Sensibilisées par différents stress ou mutations, certaines protéines fonctionnelles de la cellule peuvent spontanément se convertir en formes inactives, mal pliées, enrichies en feuillets bêta, et exposant des surfaces hydrophobes favorisant l'agrégation. Cherchant à se stabiliser, les surfaces hydrophobes peuvent s'associer aux régions hydrophobes d'autres protéines mal pliées, formant des agrégats protéiques stables: les amyloïdes. Le dépôt intracellulaire de protéines agrégées est un dénominateur commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Afin de contrer la cytotoxicité induite par les protéines agrégées, les cellules ont développé plusieurs mécanismes de défense, parmi lesquels, les chaperonnes moléculaires Hsp70. Hsp70 nécessite la collaboration de deux autres co-chaperonnes : Hsp40 et NEF pour accomplir son activité de désagrégation. Hsp70 (DnaK, chez E. coli) est impliquée par ailleurs dans d'autres fonctions physiologiques telles que l'assistanat de protéines néosynthétisées à la sortie du ribosome, ou le transport transmembranaire de polypeptides. Par ailleurs, les chaperonnes Hsp70 peuvent également solubiliser et réactiver des protéines agrégées à la suite d'un stress ou d'une mutation. Dans la première partie expérimentale de cette thèse (Chapter II), nous avons étudié in vitro l'interaction entre les oligomères d'a-synucleine, responsables entre autres, de la maladie de Parkinson, et le système chaperon Hsp70/Hsp40 (système Escherichia coli DnaK/DnaJ/GrpE). Nous avons démontré que contrairement aux monomères, les oligomères d'a-synucleine inhibaient le système chaperon lors du repliement de protéines agrégées. Cette dysfonction du système chaperon résulte de la séquestration des chaperonnes Hsp40 par les oligomères d'a-synucleine. La deuxième partie expérimentale (Chapitre III) est consacrée à une étude in vitro de la fonction co-chaperonne de trois Hsp40 d'is. coli (DnaJ, CbpA, et DjlA) lors de la désagrégation par DnaK d'une protéine pré-agrégée. Leurs activités ont été comparées par le biais d'une approche dose-réponse au niveau de deux analyses enzymatiques: le repliement de la protéine agrégée et l'activité ATPase de DnaK. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l'efficacité de désagrégation d'Hsp70 et l'affinité des chaperonnes Hsp40 vis-à-vis de leur substrat n'étaient pas corrélées positivement. Nous avons également montré que ces trois chaperonnes Hsp40 étaient directement impliquées dans la spécificité des fonctions accomplies par les chaperonnes Hsp70. En effet, DnaK en présence de CbpA assure la désagrégation de large agrégats protéiques avec une efficacité nettement plus accrue qu'en présence de DnaJ.

Analyse économique et comportements à risque

Introduction Le cadre conceptuel de l'analyse économique considère que l'individu prend des décisions en mettant en balance les avantages et les inconvénients que ces décisions présentent pour lui. En s'appuyant sur ses préférences et en intégrant ses contraintes (matérielles, physiques, externes, etc.), il choisit d'effectuer ou non une action, d'adopter ou pas un comportement, de façon à ce que les conséquences de ses choix maximisent sa satisfaction. Le fait qu'un individu adopte un certain comportement révèle donc le caractère positif pour lui des conséquences de ce comportement. C'est le postulat méthodologique de rationalité du consommateur, fondement de toute analyse économique. L'adoption par un individu d'un comportement qui implique un risque pour son bien-être physique ou mental suit le même schéma d'analyse. Il résulte d'un arbitrage inter temporel entre la satisfaction que procure ce comportement et le coût du risque associé. Ce risque se définit par la combinaison de la probabilité d'occurrence de l'événement redouté avec la gravité de ses conséquences. En adoptant un comportement à risque, l'individu révèle donc que ce comportement a pour lui un impact net positif. Certains comportements à risque, comme la consommation de tabac et, plus largement, de psychotropes, engendrent une dépendance à même de brider le libre-arbitre du consommateur. Un individu peut être amené à consommer un produit alors même que sa raison lui dicte de ne pas le faire. Ces comportements ont longtemps été considérés par les économistes comme extérieurs au champ d'analyse de leur discipline, la dépendance paraissant antinomique avec le concept de rationalité du consommateur. Par son modèle de dépendance rationnelle, Gary Stanley Becker prend le contre-pied de cette approche en montrant qu'un comportement de dépendance pouvait parfaitement s'expliquer par la maximisation de la fonction de satisfaction d'un individu rationnel et informé. Il postule que les consommateurs de stupéfiants sont conscients des conséquences futures de leurs décisions présentes, tant du point de vue de leur santé que de celui de la dépendance. Dans ce modèle, la dépendance implique deux effets le renforcement et la tolérance. Le renforcement signifie que plus un bien a été consommé dans le passé, plus l'augmentation de sa consommation courante est valorisée. En d'autres termes, l'utilité marginale de la consommation courante augmente avec la consommation antérieure. La tolérance traduit le fait qu'un individu habitué à la consommation d'un bien tirera d'une consommation donnée une satisfaction inférieure par rapport à un individu qui a peu consommé par le passé. Dans l'exemple du tabagisme, l'effet de renforcement implique qu'un grand fumeur ressent une forte envie de fumer, mais que plus il a fumé dans le passé, plus le plaisir qu'il ressent en fumant une quantité donnée de cigarettes diminue. Le premier effet explique le phénomène de manque et le second explique pourquoi la satisfaction qu'un fumeur retire de sa consommation de cigarettes tend à diminuer avec le temps. Selon Becker, l'individu choisit de devenir dépendant : il sait que sa consommation présente de cigarettes contraint ses choix futurs et il détermine au départ sa consommation sur l'ensemble de sa vie. Cependant, ce modèle n'est pas compatible avec les regrets exprimés par de nombreux fumeurs et les tentatives infructueuses de sevrage souvent concomitantes. Un fumeur qui anticiperait parfaitement le phénomène de dépendance arrêterait de fumer à la date voulue, à sa première tentative. Partant de ce constat, Athanasios Orphanides a construit un modèle dans lequel les fumeurs peuvent se retrouver prisonniers de leur consommation par des anticipations imparfaites du pouvoir addictif du tabac. Leur théorie suppose que les individus ne sont pas tous sujets de la même manière à la dépendance, que chacun a une perception subjective de son risque de dépendance et que cette perception évolue constamment durant la période de consommation du bien addictif. Dans ce contexte, un individu qui maximise des préférences stables, mais qui sous-estime le potentiel addictif d'un produit peut devenir dépendant par accident et regretter ensuite cette dépendance. Le modèle de Becker ou celui d'Orphanides ont des conséquences très différentes sur l'action régulatrice que doit ou non jouer l'État sur le marché d'un bien addictif. Si, comme Becker, on considère que les consommateurs sont rationnels et parfaitement informés des conséquences de leurs actes, l'action du régulateur devrait se limiter à l'internalisation du coût externe que les fumeurs font peser sur la société. Si le fumeur est conscient du risque qu'il prend et que pour lui le plaisir qu'il retire de cette consommation dépasse le déplaisir engendré par ses conséquences, une intervention du régulateur reposerait sur une base paternaliste, l'État posant alors un jugement de valeur sur les préférences des individus. En revanche, si on considère, comme dans la modélisation d'Orphanides, que les fumeurs sous-estiment le phénomène de dépendance lorsqu'ils décident de se mettre à fumer, un marché non régulé conduit à une consommation supérieure à celle qui prévaudrait en information parfaite. Certains fumeurs peuvent ainsi se retrouver accrochés à leur consommation de tabac, sans que cela ait été leur but. Dans cette perspective, l'État est légitimé à intervenir par des politiques de lutte contre le tabagisme, afin de compenser les erreurs d'anticipation des individus. Cette thèse propose d'appliquer les outils de l'analyse économique à des problématiques de santé publique dans le domaine des comportements à risque et en particulier du tabagisme. Elle a pour finalité d'apporter de nouveaux éléments de connaissance permettant d'éclairer certains choix de régulation dans ce domaine. Le premier chapitre est une analyse coût-efficacité des thérapies médicamenteuses de soutien à la désaccoutumance tabagique. Comme nous l'avons vu plus haut, certains fumeurs se trouvent piégés dans leur consommation par le phénomène de dépendance et ont des difficultés à arrêter de fumer. Ces dernières années, plusieurs médicaments de soutien au fumeur en phase de sevrage ont fait leur apparition. Parmi eux, on compte des substituts nicotiniques sous forme de gomme, patch, spray ou inhalateur, mais aussi un antidépresseur ne contenant pas de nicotine. Ces traitements présentent des efficacités et des coûts différents. L'évaluation économique en santé permet de calculer un indicateur unique d'efficience qui synthétise l'efficacité d'un traitement et son coût. Cette méthode permet de comparer différents types de prises en charge médicales d'une même pathologie, mais aussi de comparer des interventions thérapeutiques dans des domaines différents. Nous développons un modèle de Markov pour estimer le gain en année de vie d'une stratégie de prévention du tabagisme. Ce modèle permet de simuler le devenir d'une cohorte de fumeurs en fonction du type de soutien à la désaccoutumance qui leur est proposé. Sur cette base, nous calculons le coût par année de vie gagnée de chaque type d'intervention. Les résultats permettent de classer les cinq types de prise en charge selon leur efficience, mais aussi de les comparer à d'autres interventions de prévention dans des domaines différents. Le deuxième chapitre traite des corrélations entre le niveau de formation des individus et leur consommation de tabac. Sur un plan épidémiologique, on constate que les personnes qui atteignent un niveau de formation plus élevé ont une propension à fumer plus faible que les autres. Peut-on en conclure qu'il existe une relation causale inverse entre formation et tabagisme ? Sous l'angle de la théorie économique, il existe deux principales hypothèses à même d'expliquer cette corrélation. La première hypothèse repose sur le modèle de capital santé développé par Michael Grossman au début des années 1970. Dans ce modèle, l'individu dispose d'un stock de santé qui se déprécie avec le temps. Ce stock peut être augmenté grâce à des dépenses en soins médicaux ou à des investissements en temps consacré à l'amélioration de sa santé. La formation a pour effet d'augmenter l'efficacité des investissements en santé. Dans le cas du tabac, Grossman considère que des individus mieux formés auront une meilleurs information sur les méfaits du tabac sur la santé, ce qui tendra à diminuer leur consommation de tabac. La seconde hypothèse ne considère pas un lien causal entre la formation et la santé, mais repose sur l'existence d'une tierce variable qui influencerait parallèlement, et dans un sens opposé, le niveau de formation et la propension à fumer. Cette tierce variable est le taux de préférence pour le présent. Pour un individu fortement tourné vers le présent, l'investissement en temps de formation a un coût relativement élevé dans la mesure où il doit sacrifier du revenu aujourd'hui pour obtenir un revenu plus élevé demain. Parallèlement, il pondère moins fortement la santé future et a donc une plus forte propension à fumer. Nous développons une méthode économétrique qui permet de séparer l'effet de causalité de l'effet de sélection. Le troisième chapitre traite du rôle des interactions sociales dans les comportements à risque des adolescents. La théorie économique considère que chaque individu définit seul ses choix de consommation en maximisant sa fonction d'utilité. Cela ne signifie pas pour autant qu'il soit insensible aux influences extérieures, notamment au comportement de son entourage. Dans certaines situations et pour certains produits, l'utilité que procure la consommation d'un bien est corrélée avec le nombre de personnes qui consomment ce même bien dans l'entourage. En d'autres termes, la consommation des autres, augmente la valeur que l'on attribue à un bien. Ce mécanisme est souvent appliqué à l'analyse des comportements à risque des adolescents et du rôle que peut y jouer le groupe des pairs. Si cet impact est bien connu du point de vue théorique, il est beaucoup plus difficile de le quantifier sur un plan empirique. Pour identifier cet effet, nous développons une méthodologie économétrique, originale dans ce contexte, qui permet de séparer l'effet individuel de l'effet d'influence des pairs dans l'adoption d'un comportement à risque. Nous appliquons cette méthode aux trois comportements à risque que sont la consommation de tabac, d'alcool et de cannabis chez les adolescents.

Characterization of the expression, regulation and function of Sorting Nexin 9 and Sorting Nexin 18

Summary : Sorting nexin (SNX) family members play important roles in intracellular protein and membrane trafficking, The membrane-tubulating SNX9 protein has been shown to interact with multiple components of the endocytic machinery and to participate in clathrin-mediated endocytosis of cell surface receptors. It has not been investigated if SNX9 may also participate in other protein sorting pathways that involve vesicular transport, specifically the biogenesis of lysosome-related organelles (LROs). Closely related to SNX9 is SNXl8, whose function is largely unknown. In this work, we have characterized the expression of SNX9 and SNXl8 in LRO-containing cells and investigated their role in protein trafficking during the formation of LROs. Our results indicate that SNX9 and SNXl8 are not essential for the formation of LROs, nor for the sorting of melanosomal proteins. We investigated how the level of intracellular SNX9 protein is regulated and found that it is a substrate of the ubiquitin ligase Itch, a member of the NEDD4 family of E3 ubiquitin ligases. Itch ubiquitylates SNX9 and regulates SNX9 levels by enhancing its degradation. Using ? truncated proteins we found that the interaction with SNX9 is mediated by the proline-rich domain of Itch, a domain distinct from the conventional WW recognition domain, and the SH3 domain of SNX9. Interaction with the PRD of Itch is essential for SNX9 ubiquitylation and degradation. We further showed that Itch binding is not affected by tyrosine phosphorylation of SNX9. Using lentivector-mediated siRNA techniques, we found that Itch regulates the level of melanosomal proteins, while knock-down of SNX9 does not alter their level. Interestingly, we revealed that silencing of SNXIS affects the amount of the melanosomal protein Melan-A, but also of SNX9, and that SNXl8 can interact with SNX9. Taken together, our results highlight that the pool of substrates of NEDD4 family E3 ligases extends to proteins containing SH3 domains and provide insight into the potential functions of SNXI8. Résumé : Les membres de la famille des Sorting Nexins (SNX) jouent des rôles importants dans le trafic intracellulaire de protéines et membranes. Il a été démontré que la protéine SNX9, qui génère les tubules membranaires, interagit avec plusieurs composants de la machinerie d'endocytose et participe à l'endocytose des récepteurs de surface mediée par la clathrine. Aucune étude n'a investigué si SNX9 pourrait aussi participer à d'autres voies de trafic de protéines tel que le transport vésiculaire, et plus particulièrement la biogenèse des organites lysosomaux ("lysosome-related organelles", LR©s). SNXl8 est similaire à SNX9, mais sa fonction est largement inconnue. Dans ce travail, nous avons caractérisé l'expression de SNX9 et SNX18 dans des cellules contenants des LROs et investigué leur rôle dans le trafic de protéines pendant la formation des LROS. Nos résultats indiquent que SNX9 et SNXI8 ne sont essentiels ni pour la formation des LR©s, ni pour le trafic de protéines mélanosomales. Nous avons examiné la régulation du niveau intracellulaire de la protéine SNX9 et avons trouvé qu'elle est un substrat de l'ubiquitine ligase Itch, un membre de la famille NEDD4 des ubiquitine ligases E3. Itch ubiquitine SNX9 et régule les niveaux de SNX9 en augmentant sa dégradation. En utilisant des protéines mutées nous avons découvert que l'interaction avec SNX9 est médiée par le domaine riche en proline de Itch, qui est différent du domaine conventionnel de reconnaissance WW, et par le domaine SH3 de SNX9. L'interaction avec le domaine riche en proline de Itch est essentielle pour l'ubiquitination et la dégradation de SNX9. De plus, nous avons montré que cette liaison n'est pas affectée par la phosphorylation des résidus tyrosine de SNX9. En utilisant des vecteurs lentiviraux exprimant des siARN, nous avons trouvé que Itch régule les niveaux de protéines mélanosomales, alors que l'extinction de l'expression de SNX9 ne change pas leurs niveaux. En autre, nous avons révélé que la diminution de SNXl8 affecte le niveau de la protéine mélanosomale Melan-A et de SNX9, et aussi que SNXl8 peut interagir avec SNX9. En résumé, nos résultats démontrent que l'ensemble des substrats de la famille NEDD4 des ubiquitine ligases E3 s'élargit aux protéines contenant des domaines SH3 et ouvrent des perspectives sur les fonctions potentielles de SNXl8.

Efficacy of enzyme replacement therapy in Fabry disease.

Enzyme replacement therapy has recently been introduced to treat Fabry disease, a rare X-linked lysosomal storage disorder. The disease occurs due to deficient activity of alpha-galactosidase A, leading to progressive accumulation of globotriaosylceramide in multiple organs and tissues. Renal, cardiac and cerebrovascular manifestations of the disease result in premature death in both hemizygous males and heterozygous females. This paper outlines the clinical signs, symptoms and diagnosis of Fabry disease, and the development of the two available enzyme replacement therapies -- agalsidase alfa and agalsidase beta. Agalsidase alfa and agalsidase beta are produced in a human cell line and in Chinese hamster ovary cells, respectively, resulting in products with the same amino acid sequence as the native human enzyme, but with different patterns of glycosylation. Correct post-translational glycosylation is important in terms of the pharmacokinetics, biodistribution, clinical efficacy and tolerability of genetically engineered protein therapeutics. Differences in glycosylation, which may affect immunogenicity and mannose-6-phosphate receptor-mediated cellular internalisation of administered enzyme, possibly account for the differences in dosing, clinical effects and safety profiles reported for agalsidase alfa and agalsidase beta.

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

Regulation of Nav1.7 and Nav1.8 voltage-gated sodium channels by Nedd4-2 and β-subunits and its implication in neuropathic pain

In mammals, the presence of excitable cells in muscles, heart and nervous system is crucial and allows fast conduction of numerous biological information over long distances through the generation of action potentials (AP). Voltage-gated sodium channels (Navs) are key players in the generation and propagation of AP as they are responsible for the rising phase of the AP. Navs are heteromeric proteins composed of a large pore-forming a-subunit (Nav) and smaller ß-auxiliary subunits. There are ten genes encoding for Navl.l to Nav1.9 and NaX channels, each possessing its own specific biophysical properties. The excitable cells express differential combinations of Navs isoforms, generating a distinct electrophysiological signature. Noteworthy, only when anchored at the membrane are Navs functional and are participating in sodium conductance. In addition to the intrinsic properties of Navs, numerous regulatory proteins influence the sodium current. Some proteins will enhance stabilization of membrane Navs while others will favour internalization. Maintaining equilibrium between the two is of crucial importance for controlling cellular excitability. The E3 ubiquitin ligase Nedd4-2 is a well-characterized enzyme that negatively regulates the turnover of many membrane proteins including Navs. On the other hand, ß-subunits are known since long to stabilize Navs membrane anchoring. Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of Navs expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons as highlighted in different animal models of neuropathic pain. Among Navs, Nav1.7 and Nav1.8 are abundantly and specifically expressed in DRG sensory neurons and have been recurrently incriminated in nociception and neuropathic pain development. Using the spared nerve injury (SNI) experimental model of neuropathic pain in mice, I observed a specific reduction of Nedd4-2 in DRG sensory neurons. This decrease subsequently led to an upregulation of Nav1.7 and Nav1.8 protein and current, in the axon and the DRG neurons, respectively, and was sufficient to generate neuropathic pain-associated hyperexcitability. Knocking out Nedd4-2 specifically in nociceptive neurons led to the same increase of Nav1.7 and Nav1.8 concomitantly with an increased thermal sensitivity in mice. Conversely, rescuing Nedd4-2 downregulation using viral vector transfer attenuated neuropathic pain mechanical hypersensitivity. This study demonstrates the significant role of Nedd4-2 in regulating cellular excitability in vivo and its involvement in neuropathic pain development. The role of ß-subunits in neuropathic pain was already demonstrated in our research group. Because of their stabilization role, the increase of ßl, ß2 and ß3 subunits in DRGs after SNI led to increased Navs anchored at the membrane. Here, I report a novel mechanism of regulation of a-subunits by ß- subunits in vitro; ßl and ß3-subunits modulate the glycosylation pattern of Nav1.7, which might account for stabilization of its membrane expression. This opens new perspectives for investigation Navs state of glycosylation in ß-subunits dependent diseases, such as in neuropathic pain. - Chez les mammifères, la présence de cellules excitables dans les muscles, le coeur et le système nerveux est cruciale; elle permet la conduction rapide de nombreuses informations sur de longues distances grâce à la génération de potentiels d'action (PA). Les canaux sodiques voltage-dépendants (Navs) sont des participants importants dans la génération et la propagation des PA car ils sont responsables de la phase initiale de dépolarisation du PA. Les Navs sont des protéines hétéromériques composées d'une grande sous-unité a (formant le pore du canal) et de petites sous-unités ß accompagnatrices. Il existe dix gènes qui codent pour les canaux sodiques, du Nav 1.1 au Nav 1.9 ainsi que NaX, chacun possédant des propriétés biophysiques spécifiques. Les cellules excitables expriment différentes combinaisons des différents isoformes de Navs, qui engendrent une signature électrophysiologique distincte. Les Navs ne sont fonctionnels et ne participent à la conductibilité du Na+, que s'ils sont ancrés à la membrane plasmique. En plus des propriétés intrinsèques des Navs, de nombreuses protéines régulatrices influencent également le courant sodique. Certaines protéines vont favoriser l'ancrage et la stabilisation des Navs exprimés à la membrane, alors que d'autres vont plutôt favoriser leur internalisation. Maintenir l'équilibre des deux processus est crucial pour contrôler l'excitabilité cellulaire. Dans ce contexte, Nedd4-2, de la famille des E3 ubiquitin ligase, est une enzyme bien caractérisée qui régule l'internalisation de nombreuses protéines, notamment celle des Navs. Inversement, les sous-unités ß sont connues depuis longtemps pour stabiliser l'ancrage des Navs à la membrane. La douleur neuropathique périphérique est une condition débilitante résultant d'une atteinte à un nerf. Elle est caractérisée par la dérégulation des Navs exprimés dans les neurones sensoriels du ganglion spinal (DRG). Ceci a été démontré à de multiples occasions dans divers modèles animaux de douleur neuropathique. Parmi les Navs, Nav1.7 et Nav1.8 sont abondamment et spécifiquement exprimés dans les neurones sensoriels des DRG et ont été impliqués de façon récurrente dans le développement de la douleur neuropathique. En utilisant le modèle animal de douleur neuropathique d'épargne du nerf sural (spared nerve injury, SNI) chez la souris, j'ai observé une réduction spécifique des Nedd4-2 dans les neurones sensoriels du DRG. Cette diminution avait pour conséquence l'augmentation de l'expression des protéines et des courants de Nav 1.7 et Nav 1.8, respectivement dans l'axone et les neurones du DRG, et était donc suffisante pour créer l'hyperexcitabilité associée à la douleur neuropathique. L'invalidation pour le gène codant pour Nedd4-2 dans une lignée de souris génétiquement modifiées a conduit à de similaires augmentations de Nav1.7 et Nav1.8, parallèlement à une augmentation à la sensibilité thermique. A l'opposé, rétablir une expression normale de Nedd4-2 en utilisant un vecteur viral a eu pour effet de contrecarrer le développement de l'hypersensibilité mécanique lié à ce modèle de douleur neuropathique. Cette étude démontre le rôle important de Nedd4-2 dans la régulation de l'excitabilité cellulaire in vivo et son implication dans le développement des douleurs neuropathiques. Le rôle des sous-unités ß dans les douleurs neuropathiques a déjà été démontré dans notre groupe de recherche. A cause de leur rôle stabilisateur, l'augmentation des sous-unités ßl, ß2 et ß3 dans les DRG après SNI, conduit à une augmentation des Navs ancrés à la membrane. Dans mon travail de thèse, j'ai observé un nouveau mécanisme de régulation des sous-unités a par les sous-unités ß in vitro. Les sous-unités ßl et ß3 régulent l'état de glycosylation du canal Nav1.7, et stabilisent son expression membranaire. Ceci ouvre de nouvelles perspectives dans l'investigation de l'état de glycosylation des Navs dans des maladies impliquant les sous-unités ß, notamment les douleurs neuropathiques.

Role of notch signalling in mammary gland

ÁBSTRACT : Mammary gland is composed of two main epithelial cell types, myoepithelial and luminal. The mechanisms involved in determination and maintenance of them remain poorly understood. Notch signaling is known to regulate cell fate determination in other tissues like skin and nervous system. It was also shown that it can act as tumor suppressor or oncogene depending on the tissue type. The mouse models overexpressing active Notch receptors indicated that Notch signaling is oncogenic in the mammary gland. This observation was followed by some descriptive and functional studies in human breast cancer and it was reported that Notch signaling activity or expression of its components are increased in some of the breast tumor samples compared to normal tissue. However, the physiological role of the Notch signaling and its downstream mechanisms in mammary gland is poorly defined. p63, a member of p53 family, has been implicated in the cell fate determination of keratinocytes. Knockout mouse models revealed that p63 is required for the formation of the mammary anlagen in embryo and its ΔN isoform is expressed exclusively in the myoepithelial layer of the adult breast. In order to understand its function in normal breast epithelial cells, I activated Notch signaling by expression of Notch1 intracellular domain (NICD) in normal primary human breast epithelial cells (HBECs). In this context, NICD reduced growth of HBECs and led to downmodulation of extracellular matrix-receptor interaction network (ECM) components as well as ΔNp63. Expression of ΔNp63 together with NICD partially rescued Notch induced growth reduction, which was correlated with an increase in ECM components. Moreover, silencing ΔNp63 in myoepithelial HBECs reduced growth similar to Notch activation and it led to downregulation of myoepithelial and upregulation of luminal markers. Complementing this observation, forced expression of ONp63 in luminal HBECs induced myoepithelial phenotype and decreased luminal markers. In vivo, by the analysis of a Notch reporter mouse strain, I showed that Notch is activated during puberty specifically at the sites of ductal morphogenesis, terminal end buds. FAGS analysis revealed that it can be detected in two different populations based on CD24 expression (low (lo) or high (high)): at lower levels in CD24lo, which includes stem/progenitor and myoepithelial cells and higher levels in CD24hi, which contains luminal cells. In parallel with in vitro results, the CD24lo mouse mammary epithelial cells displaying Notch activity have lower levels of p63 expression. Furthermore, deletion of RBPjk, the main mediator of Notch signaling, or the overexpression of ΔNp63 inhibited luminal cell lineage in vivo. Another important point revealed by Notch reporter mouse strain is the simultaneous activation of Notch with estrogen signaling during pubertal development. The expression of FOXA1, the mediator of estrogen receptor (ER) transcriptional activity, is correlated with Notch activation in vivo that it is lower in CD24lo than in CD24hi cells. Moreover, FOXA1 is regulated by NICD in vitro supporting the presence of a link between Notch and ER signaling. Taken together, I report that Notch signaling is involved in luminal cell fate determination and its effects are partially mediated through inhibition of ONp63. Besides, ΔNp63 is required for the maintenance and sufficient for the induction of myoepithelial phenotype in HBECs in vitro and is not compatible with luminal lineage in vivo. Based on these results, I propose a model for epithelial cell hierarchy in mammary gland, whereby there are two different types of luminal progenitors, early and late, displaying different levels of Notch activity. Notch signaling contributes to the determination of luminal cell lineage in these two progenitor steps: In "Early Luminal Progenitor" stage, it inhibits myoepithelial fate by decreasing p63 expression, and in "Late Luminal Progenitor" stage, Notch signaling is involved in induction of luminal lineage by acting on ER-FOXA1 axis. It has to be investigated further whether Notch signaling might behave as an oncogene or tumor suppressor depending on which cell type in the epithelial hierarchy it is modulated and which one is more likely to occur in different human breast cancer types. RÉSUMÉ : La glande mammaire est composée de deux types principaux de cellules: les cellules luminales, qui bordent le lumen et les cellules myoépithéliales, qui se trouvent entre la lame basale et les cellules luminales. Les mécanismes intervenant dans leur différenciation et leur maintenance demeurent encore mal compris. La protéine transmembranaire Notch est connue pour déterminer le destin des cellules dans plusieurs types de tissus comme la peau ou le système nerveux. Selon le type de tissu dans lequel se trouve Notch, il agira soit comme un suppresseur de tumeur soit comme un oncogène. A l'aide de modèles de souris surexprimant les récepteurs actifs de Notch, il a été démontré que la voie de signalisation de Notch est oncogénique au niveau de la glande mammaire. Des études descriptives et fonctionnelles dans le cadre du cancer du sein ont permis de mettre en évidence une augmentation de l'activité de Notch ou de l'expression de ces composants dans certains tissus cancéreux. Toutefois, le rôle physiologique de Notch et des mécanismes qu'il active restent méconnus. P63, une protéine membre de la famille p53, est impliquée dans la différenciation des kératinocytes. Le modèle issu de l'étude des souris p63 knockout a révélé que cette protéine est requise pour la formation des primordia mammaires chez l'embryon et que son isoforme ΔNp63 est exclusivement exprimée dans la couche myoépithéliale de la glande mammaire adulte. Dans le but de comprendre les fonctions physiologiques de Notch, je l'ai activé en exprimant le domaine intracellulaire de Notch 1 (NICD) dans des cellules épithéliales primaires de glande mammaire humaine (HBECs). Le NICD a alors réduit la croissance des HBECs et conduit à la régulation négative non seulement de p63 mais également des composants du réseau d'interaction des récepteurs de la matrice extracellulaire (ECM). En exprimant conjointement ΔNp63 et NICD, il est apparu que la réduction de croissance induite par Notch était partiellement compensée, et qu'il y avait également une augmentation des composants ECM. De plus, lorsque ΔNp63 a été inactivé dans les cellules HBECs myoépithéliales, une réduction de croissance cellulaire identique à celle provoquée par l'activation de Notch a pu être mise en évidence, de même qu'une régulation négative des marqueurs myoépithéliaux ainsi qu'une augmentation des marqueurs luminaux. Afin de compléter ces informations, l'expression de ΔNp63 a été forcée dans les HBECs luminales, ce qui a induit un phénotype myoépithélial et une diminution des marqueurs lumineux. In vivo, par l'analyse de souris ayant un gène rapporteur de l'activité de Notch, j'ai démontré que Notch est activé pendant la puberté au niveau des sites de la morphogenèse canalaire, à savoir les bourgeons terminaux. Les analyses par FACS (Fluorescence-activated cell sorting) basées sur l'expression de l'antigène CD24 ont révélé qu'il peut tre détecté dans deux populations différentes : une population qui l'exprime faiblement, qui regroupe les cellules souches/progéniteurs et les cellules myoépithéliales, et une population qui l'exprime fortement qui est composé des cellules luminales. Parallèlement aux résultats in vitro, j'ai mis en évidence un faible niveau d'expression de p63 dans les cellules épithéliales de la glande mammaire de souris, exprimant faiblement l'antigène CD24 et présentant une activité de Notch. De plus, la délétion de RBPjr~, médiateur principal de la signalisation de Notch, ainsi que la surexpression de ΔNp63 in vivo ont inhibé la lignée des cellules luminales. Un autre point important révélé par les souris rapporteur de l'activité de Notch a été l'activation simultanée de Notch et de la signalisation de l'oestrogène pendant le développement pubertaire. L'expression de FOXA1, médiateur de l'activité transcriptionnelle des récepteurs aux oestrogènes (ER), est en corrélation avec l'activation de Notch in vivo, plus basse dans les cellules avec une faible expression de l'antigène CD24 que dans celles avec une forte expression. De plus, FOXA1 est régulé par NICD in vitro confirmant la présence d'un lien entre Notch et la signalisation des ER. En résumé, la signalisation de Notch est impliquée dans la détermination du destin cellulaire des cellules luminales et ses effets sont partiellement modifiés par l'inhibition de ΔNp63. ΔNp63 est requis pour la maintenance et est suffisant pour l'induction du phénotype myoépithéliale dans les HBECs in vitro et ne peut donc pas se trouver dans les cellules luminales in vivo. Basé sur ces résultats, je propose un modèle de hiérarchisation des cellules épithéliales de la glande mammaire, dans lequel sont présents deux types de progéniteurs des cellules luminales exprimant des niveaux différents d'activité de Notch, les progéniteurs lumineux précoces et tardifs. La signalisation de Notch contribue à la différenciation de la lignée cellulaire luminale au niveau de ces deux progéniteurs : dans la forme précoce, il inhibe la différenciation des cellules myoépithéliales en réduisant l'expression de p63 et dans la forme tardive, Notch est impliqué dans l'induction de la lignée luminale en agissant sur l'axe ER-FOXA1. Il serait nécessaire d'investiguer plus loin si le fait que Notch agisse comme oncogène ou suppresseur de tumeur dépend du stade de différenciation de la cellule dans laquelle il est modulé et laquelle de ces deux fonctions il est le plus probable de rencontrer dans les différents types de cancer du sein.

Endocytosis, autophagy and JNK inhibition in neuroprotection against excitotoxicity and neonatal cerebral ischemia

Abstract : Neonatal stroke occurs in 1 out of 4000 live births and usually leads to serious motor and cognitive disabilities. Ischemic brain injury results from a complex of pathophysiological events that evolve over space and time making it difficult to devise successful therapy. To date, there are no effective treatments for perinatal brain damage. Most clinical trials of neuroprotectaot drugs have failed because of their side-effects. For this reason it is important to find ways to target drugs specifically into the stressed cells. In this study we plan to contribute to the development of an efficient neuroprotective strategy against excitotoxic cell death in the neonate. In order to achieve this goal, several strategies were followed. A recently described phenomenon of induced endocytosis associated with excitotoxicity was more deeply investigated. As a simplified model we used dissociated cortical neurons exposed to an excitotoxic dose of NMDA, and we showed that this phenomenon depends on clathrin and dynamin. Using a model of neonatal focal cerebral ischemia, we demonstrated that the excitotoxicity-related endocytosis targets molecules such as TAT peptides into stressed neurons. These appear to be viable, raising the possibility of using this phenomenon as a doorway for neuroprotection. One part of the project was devoted to the study of the TAT-conjugated JNK inhibitory peptide, D-JNKI1. Adose-response study showed strong neuroprotection over a wide dose-range in the case of delayed administration (either intravenous or intraperitoneal). Since D-JNKI1 is aTAT-linked peptide, we investigated the role of its own NMDA-induced endocytosis in its neuroprotective efficacy. Furthermore, we showed that this endocytosis is JNK dependent, and that D-JNKI1 regulates its own uptake. We additionally studied the different types of cell death involved in a model of neonatal focal cerebral ischemia. Necrosis occurred rapidly in the center of the lesion whereas apoptosis and autophagic cell death occurred late at the lesion border. Inhibiting apoptosis was not protective, but use of autophagy inhibitor 3methyladenine provided a strong neuroprotection. Finally, combining two neuroprotectants that target different intracellular pathways was neuroprotective in a severe model of cerebral ischemia where neither of the drugs was efficient when administered individually. Résumé : L'ischémie néonatale connaît une incidence de 1 naissance sur 4000, entraînant généralement de sérieux dysfonctionnements moteurs et cognitifs. L'ischémie cérébrale résulte d'évènements physiopathologiques complexes qui évoluent dans l'espace et le temps rendant difficile la conception de thérapies efficaces. A l'heure actuelle, aucun traitement n'existe pour lutter contre les accidents vasculaires cérébraux qui se produisent autour de la naissance. La plupart des essais cliniques concernant des molécules neuroprotectrices ont échoué du fait de leurs effets secondaires néfastes. Pour cette raison, il est important de trouver des moyens de cibler les drogues dans les cellules stressées spécifiquement. Dans cette étude nous visons à participer au développement d'une stratégie neuroprotectrice efficace contre l'ischémie cérébrale chez le nouveau-né. Dans ce but, plusieurs stratégies ont été poursuivies. Un nouveau phénomène d'endocytose induite par un stimulus excitotoxique a été récemment décrit. Une partie de cette étude va consister à mieux comprendre ce phénomène. Pour céla, nous avons utilisé comme modèle d'étude simplifié des cultures dissociées de neurones corticaux exposées à une dose excitotoxique de NMDA. Nous avons ainsi montré que cette endocytose associée à l'excitotoxicité dépend de la clathrine et de la dynamine. A l'aide d'un modèle d'ischémie cérébrale focale chez le raton de 12 jours, nous avons démontré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité permet de cibler des molécules diverses et en particulier les peptides TAT dans les neurones stressés. Ces neurones fortement endocytiques apparaissent comme étant encore viables, ouvrant la possibilité d'utiliser cette endocytose comme moyen d'entrée pour des molécules thérapeutiques. Une partie du projet a été consacrée à l'étude d'un inhibiteur de la voie JNK, couplé au TAT, appelé D-JNKI1. Des études de dose réponse du D-JNKI1 ont été réalisées chez l'animal, testant les effets d'une administration retardée en injection intraveineuse ou intra péritonéale. Ces études démontrent qu'une large gamme de dose permet d'obCenir une réduction de la taille de la lésion. Comme D-JNK11 est couplé au peptide TAT, nous avons étudié la contribution que sa propre endocytose lors de l'excitotoxicité apporte à ses effets protecteurs. Par ailleurs, nous avons montré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité dépend de la voie de signalisation JNK et que D-JNK11 est donc capable de réguler sa propre entrée. Nous avons en parallèle étudié les différents types de mort cellulaires impliqués dans le développement de la lésion dans un modèle sévère d'ischémie cérébrale chez le raton nouveau-né. La mort cellulaire par nécrose se développe rapidement dans le centre de la lésion alors que les morts cellulaires par apoptose et autophagique vont apparaître plus tard et au bord de la lésion. Inhiber l'apoptose n'a pas permis de réduire la taille de la lésion alors que l'utilisation d'un inhibiteur d'autophagie, la 3-méthyladénine, procure une forte neuroprotection. Finalement, la combinaison de deux peptides qui ciblent différentes voies de signalisation intracellulaire permet d'obtenir une bonne protection dans le modèle d'ischémie sévère dans lequel aucun des deux peptides administré séparément n'a donné d'effets bénéfiques.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.