Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

Synergistic action of GA-binding protein and glucocorticoid receptor in transcription from the mouse mammary tumor virus promoter.

B lymphocytes are among the first cells to be infected by mouse mammary tumor virus (MMTV), and they play a crucial role in its life cycle. To study transcriptional regulation of MMTV in B cells, we have analyzed two areas of the long terminal repeat (LTR) next to the glucocorticoid receptor binding site, fp1 (at position -139 to -146 from the cap site) and fp2 (at -157 to -164). Both showed B-cell-specific protection in DNase I in vitro footprinting assays and contain binding sites for Ets transcription factors, a large family of proteins involved in cell proliferation and differentiation and oncogenic transformation. In gel retardation assays, fp1 and fp2 bound the heterodimeric Ets factor GA-binding protein (GABP) present in B-cell nuclear extracts, which was identified by various criteria: formation of dimers and tetramers, sensitivity to pro-oxidant conditions, inhibition of binding by specific antisera, and comigration of complexes with those formed by recombinant GABP. Mutations which prevented complex formation in vitro abolished glucocorticoid-stimulated transcription from an MMTV LTR linked to a reporter gene in transiently transfected B-cell lines, whereas they did not affect the basal level. Exogenously expressed GABP resulted in an increased level of hormone response of the LTR reporter plasmid and produced a synergistic effect with the coexpressed glucocorticoid receptor, indicating cooperation between the two. This is the first example of GABP cooperation with a steroid receptor, providing the opportunity for studying the integration of their intracellular signaling pathways.

MM-GBSA binding free energy decomposition and T cell receptor engineering.

Recognition by the T-cell receptor (TCR) of immunogenic peptides (p) presented by class I major histocompatibility complexes (MHC) is the key event in the immune response against virus infected cells or tumor cells. The major determinant of T cell activation is the affinity of the TCR for the peptide-MHC complex, though kinetic parameters are also important. A study of the 2C TCR/SIYR/H-2Kb system using a binding free energy decomposition (BFED) based on the MM-GBSA approach had been performed to assess the performance of the approach on this system. The results showed that the TCR-p-MHC BFED including entropic terms provides a detailed and reliable description of the energetics of the interaction (Zoete and Michielin, 2007). Based on these results, we have developed a new approach to design sequence modifications for a TCR recognizing the human leukocyte antigen (HLA)-A2 restricted tumor epitope NY-ESO-1. NY-ESO-1 is a cancer testis antigen expressed not only in melanoma, but also on several other types of cancers. It has been observed at high frequencies in melanoma patients with unusually positive clinical outcome and, therefore, represents an interesting target for adoptive transfer with modified TCR. Sequence modifications of TCR potentially increasing the affinity for this epitope have been proposed and tested in vitro. T cells expressing some of the proposed TCR mutants showed better T cell functionality, with improved killing of peptide-loaded T2 cells and better proliferative capacity compared to the wild type TCR expressing cells. These results open the door of rational TCR design for adoptive transfer cancer therapy.

CD3 delta establishes a functional link between the T cell receptor and CD8.

T cells expressing T cell receptor (TCR) complexes that lack CD3 delta, either due to deletion of the CD3 delta gene, or by replacement of the connecting peptide of the TCR alpha chain, exhibit severely impaired positive selection and TCR-mediated activation of CD8 single-positive T cells. Because the same defects have been observed in mice expressing no CD8 beta or tailless CD8 beta, we examined whether CD3 delta serves to couple TCR.CD3 with CD8. To this end we used T cell hybridomas and transgenic mice expressing the T1 TCR, which recognizes a photoreactive derivative of the PbCS 252-260 peptide in the context of H-2K(d). We report that, in thymocytes and hybridomas expressing the T1 TCR.CD3 complex, CD8 alpha beta associates with the TCR. This association was not observed on T1 hybridomas expressing only CD8 alpha alpha or a CD3 delta(-) variant of the T1 TCR. CD3 delta was selectively co-immunoprecipitated with anti-CD8 antibodies, indicating an avid association of CD8 with CD3 delta. Because CD8 alpha beta is a raft constituent, due to this association a fraction of TCR.CD3 is raft-associated. Cross-linking of these TCR-CD8 adducts results in extensive TCR aggregate formation and intracellular calcium mobilization. Thus, CD3 delta couples TCR.CD3 with raft-associated CD8, which is required for effective activation and positive selection of CD8(+) T cells.

Requirement for CARMA1 in antigen receptor-induced NF-kappa B activation and lymphocyte proliferation.

Ligation of antigen receptors (TCR, BCR) on T and B lymphocytes leads to the activation of new transcriptional programs and cell cycle progression. Antigen receptor-mediated activation of NF-kappa B, required for proliferation of B and T cells, is disrupted in T cells lacking PKC theta and in B and T cells lacking Bcl10, a caspase recruitment domain (CARD)-containing adaptor protein. CARMA1 (also called CARD11 and Bimp3), the only lymphocyte-specific member in a family of membrane-associated guanylate kinase (MAGUK) scaffolding proteins that interact with Bcl10 by way of CARD-CARD interactions, is required for TCR-induced NF-kappa B activation in Jurkat T lymphoma cells. Here we show that T cells from mice lacking CARMA1 expression were defective in recruitment of Bcl10 to clustered TCR complexes and lipid rafts, in activation of NF-kappa B, and in induction of IL-2 production. Development of CD5(+) peritoneal B cells was disrupted in these mice, as was B cell proliferation in response to both BCR and CD40 ligation. Serum immunoglobulin levels were also markedly reduced in the mutant mice. Together, these results show that CARMA1 has a central role in antigen receptor signaling that results in activation and proliferation of both B and T lymphocytes.

Full activation of the T cell receptor requires both clustering and conformational changes at CD3.

T cell receptor (TCR-CD3) triggering involves both receptor clustering and conformational changes at the cytoplasmic tails of the CD3 subunits. The mechanism by which TCRalphabeta ligand binding confers conformational changes to CD3 is unknown. By using well-defined ligands, we showed that induction of the conformational change requires both multivalent engagement and the mobility restriction of the TCR-CD3 imposed by the plasma membrane. The conformational change is elicited by cooperative rearrangements of two TCR-CD3 complexes and does not require accompanying changes in the structure of the TCRalphabeta ectodomains. This conformational change at CD3 reverts upon ligand dissociation and is required for T cell activation. Thus, our permissive geometry model provides a molecular mechanism that rationalizes how the information of ligand binding to TCRalphabeta is transmitted to the CD3 subunits and to the intracellular signaling machinery.

Effects of epitope modification on T cell receptor-ligand binding and antigen recognition by seven H-2Kd-restricted cytotoxic T lymphocyte clones specific for a photoreactive peptide derivative.

We tested for antigen recognition and T cell receptor (TCR)-ligand binding 12 peptide derivative variants on seven H-2Kd-restricted cytotoxic T lymphocytes (CTL) clones specific for a bifunctional photoreactive derivative of the Plasmodium berghei circumsporozoite peptide 252-260 (SYIPSAEKI). The derivative contained iodo-4-azidosalicylic acid in place of PbCS S-252 and 4-azidobenzoic acid on PbCS K-259. Selective photoactivation of the N-terminal photoreactive group allowed crosslinking to Kd molecules and photoactivation of the orthogonal group to TCR. TCR photoaffinity labeling with covalent Kd-peptide derivative complexes allowed direct assessment of TCR-ligand binding on living CTL. In most cases (over 80%) cytotoxicity (chromium release) and TCR-ligand binding differed by less than fivefold. The exceptions included (a) partial TCR agonists (8 cases), for which antigen recognition was five-tenfold less efficient than TCR-ligand binding, (b) TCR antagonists (2 cases), which were not recognized and capable of inhibiting recognition of the wild-type conjugate, (c) heteroclitic agonists (2 cases), for which antigen recognition was more efficient than TCR-ligand binding, and (d) one partial TCR agonist, which activated only Fas (C1)95), but not perforin/granzyme-mediated cytotoxicity. There was no correlation between these divergences and the avidity of TCR-ligand binding, indicating that other factors than binding avidity determine the nature of the CTL response. An unexpected and novel finding was that CD8-dependent clones clearly incline more to TCR antagonism than CD8-independent ones. As there was no correlation between CD8 dependence and the avidity of TCR-ligand binding, the possibility is suggested that CD8 plays a critical role in aberrant CTL function.

Structural Insight into the Mode of Action of a Direct Inhibitor of Coregulator Binding to the Thyroid Hormone Receptor.

The development of nuclear hormone receptor antagonists that directly inhibit the association of the receptor with its essential coactivators would allow useful manipulation of nuclear hormone receptor signaling. We previously identified 3-(dibutylamino)-1-(4-hexylphenyl)-propan-1-one (DHPPA), an aromatic β-amino ketone that inhibits coactivator recruitment to thyroid hormone receptor β (TRβ), in a high-throughput screen. Initial evidence suggested that the aromatic β-enone 1-(4-hexylphenyl)-prop-2-en-1-one (HPPE), which alkylates a specific cysteine residue on the TRβ surface, is liberated from DHPPA. Nevertheless, aspects of the mechanism and specificity of action of DHPPA remained unclear. Here, we report an x-ray structure of TRβ with the inhibitor HPPE at 2.3-Å resolution. Unreacted HPPE is located at the interface that normally mediates binding between TRβ and its coactivator. Several lines of evidence, including experiments with TRβ mutants and mass spectroscopic analysis, showed that HPPE specifically alkylates cysteine residue 298 of TRβ, which is located near the activation function-2 pocket. We propose that this covalent adduct formation proceeds through a two-step mechanism: 1) β-elimination to form HPPE; and 2) a covalent bond slowly forms between HPPE and TRβ. DHPPA represents a novel class of potent TRβ antagonist, and its crystal structure suggests new ways to design antagonists that target the assembly of nuclear hormone receptor gene-regulatory complexes and block transcription.

The adaptor complex 2 directly interacts with the alpha 1b-adrenergic receptor and plays a role in receptor endocytosis.

Using the yeast two-hybrid system, we identified the mu 2 subunit of the clathrin adaptor complex 2 as a protein interacting with the C-tail of the alpha 1b-adrenergic receptor (AR). Direct association between the alpha 1b-AR and mu 2 was demonstrated using a solid phase overlay assay. The alpha 1b-AR/mu 2 interaction occurred inside the cells, as shown by the finding that the transfected alpha 1b-AR and the endogenous mu 2 could be coimmunoprecipitated from HEK-293 cell extracts. Mutational analysis of the alpha 1b-AR revealed that the binding site for mu 2 does not involve canonical YXX Phi or dileucine motifs but a stretch of eight arginines on the receptor C-tail. The binding domain of mu 2 for the receptor C-tail involves both its N terminus and the subdomain B of its C-terminal portion. The alpha 1b-AR specifically interacted with mu 2, but not with the mu 1, mu 3, or mu 4 subunits belonging to other AP complexes. The deletion of the mu 2 binding site in the C-tail markedly decreased agonist-induced receptor internalization as demonstrated by confocal microscopy as well as by the results of a surface receptor biotinylation assay. The direct association of the adaptor complex 2 with a G protein-coupled receptor has not been reported so far and might represent a common mechanism underlying clathrin-mediated receptor endocytosis.

Intracellular trafficking of interleukin-1 receptor I requires Tollip.

Interleukin-1 receptor (IL-1RI) is a master regulator of inflammation and innate immunity. When triggered by IL-1beta, IL-1RI aggregates with IL-1R-associated protein (IL-1RAcP) and forms a membrane proximal signalosome that potently activates downstream signaling cascades. IL-1beta also rapidly triggers endocytosis of IL-1RI. Although internalization of IL-1RI significantly impacts signaling, very little is known about trafficking of IL-1RI and therefore about precisely how endocytosis modulates the overall cellular response to IL-1beta. Upon internalization, activated receptors are often sorted through endosomes and delivered to lysosomes for degradation. This is a highly regulated process that requires ubiquitination of cargo proteins as well as protein-sorting complexes that specifically recognize ubiquitinated cargo. Here, we show that IL-1beta induces ubiquitination of IL-1RI and that via these attached ubiquitin groups, IL-1RI interacts with the ubiquitin-binding protein Tollip. By using an assay to follow trafficking of IL-1RI from the cell surface to late endosomes and lysosomes, we demonstrate that Tollip is required for sorting of IL-1RI at late endosomes. In Tollip-deficient cells and cells expressing only mutated Tollip (incapable of binding IL-1RI and ubiquitin), IL-1RI accumulates on late endosomes and is not efficiently degraded. Furthermore, we show that IL-1RI interacts with Tom1, an ubiquitin-, clathrin-, and Tollip-binding protein, and that Tom1 knockdown also results in the accumulation of IL-1RI at late endosomes. Our findings suggest that Tollip functions as an endosomal adaptor linking IL-1RI, via Tom1, to the endosomal degradation machinery.

Characterization of Tollip in the Interleulkin-1 Receptor/Toll Like Receptors signaling pathways

SUMMARY IL-1R and TLRs are key players in innate immunity and inflammation. Tollip was identified as a component of IL-1RI, TLR2 and TLR4 signaling complexes that activate NF-κB and MAP kinase pathways. Tollip was previously shown as a negative regulator of NF-κB and MAP Kinase activation. We have characterized the role of Tollip in IL-R/TLRs induced signaling by the analysis of the Tollip deficient mice. We showed that NF-κB and MAPK (p38, JNK, or ERK1/2) signaling appeared normal in Tollip deficient cells following stimulation with IL-1β, lipopolysaccharide (LPS), and other TLR ligands. Also IL-1β and TLRs ligands induced activation of immune cells was indistinguishable from wild-type cells. Strikingly, in Tollip deficient mice the production of the inflammatory cytokines, IL-6 or TNF-α was significantly reduced relative to control mice after treatment with physiological doses of IL-1β or LPS, whereas no difference was observed at high doses of stimulation with LPS or in LPS induced septic shock. Therefore, Tollip could be critical for regulation of optimal responses to IL-1β and LPS, in addition to its role as negative regulator of the signaling. We also studied the role of Tollip as an endocytic adaptor for IL-1R endocytosis. We could show that Il-1R is ubiquitinated after IL-1β stimulation, and that Tollip's CUE domain binds IL-1RI in an ubiquitin-dependent manner. We followed IL-1R internalization and Tollip localization by confocal microscopy. Consistent with a role for Tollip in sorting of ubiquitinated IL-1RI, a significant amount of Tollip was also localized at the late endosomal compartment. We could show that Tollip is required for efficient lysosomal targeting of ubiquitinated IL-1R1, In the absence of Tollip or in Tollip deficient cells reconstituted with a Tollip mutant (defective in ubiquitin binding) IL-1RI accumulates in enlarged late endosomes. In addition, Tollip was shown to interact with, another endocytic adapter, Toml, and both interact with IL-1RI. In conclusion, we showed that Tollip is required for IL-1β and LPS signaling for cytokine production. In addition we showed and that Tollip has a role as an endocytic adapter, necessary for efficient trafficking and lysosomal degradation of IL-1RI. Resumé Le récepteur à l'interleukine-1 (IL-1R) et les récepteurs "Toll-like" (TLRs) sont des acteurs cruciaux de la réponse immunitaire innée et de l'inflammation. La proteine Tollip a été identifiée comme étant un élément des complexes de signalisation, induits par les récepteurs IL-1RI, TLR-2 et TLR-4, qui mènent à l'activation de la voie des MAP kinases et de NF-κB. Dans de précédentes études, il a été montré que Tollip pouvait inhiber ces deux voies de signalisation. Nous avons voulu caractériser plus précisément le rôle de Tollip dans l'activation des voies de signalisation mitées par IL-1R/TLRs en utilisant une lignée murine déficiente pour la protéine Tollip. Ainsi, en absence de Tollip, les cascades d'activation de NF-κB et MAPK (p38, JNK, or ERK1/2) ne semblent pas affectées après stimulation avec IL-1β, lipopolysaccharide (LPS) ou d' autres ligands des TLR. La réponse des cellules du système immunitaire induite par la stimulation avec IL-1β et les ligands des TLR est également comparable entre les souris sauvages et les souris deficientes pour Tollip. Par contre, dans cette lignée murine, la production de cytokines proinflammatoires IL-6 et TNFα induite par la stimulation à dose physiologique de IL-1β or LPS, est réduite. Cependant, lors de stimulation à plus hautes doses de LPS ou pendant un choc septique induit par de LPS, cette réduction n'est pas observée. Ces résultats montrent que Tollip pourrait avoir un rôle déterminant dans l'activation optimale en réponse à l' IL-1β et au LPS qui s'ajoute à sa fonction inhibitrice des mêmes voies de signalisation. Nous avons aussi étudié le rôle de Tollip comme molécule adaptatatrice du mécanisme endocytique d'internalisation de l' IL-1RI. Ainsi, l' IL-1R est ubiquitiné après stimulation par l' IL-1β , permettant à Tollip de se lier au récepteur. Cette interaction est réalisée entre le domaine CUE de Tollip et l'IL-1R via l'ubiquitine. L'internalisation et la localisation intracellulaire de l'IL-1RI et de Tollip ont été observés par microscopie confocale. En accord avec le rôle de Tollip dans le triage et la recirculation des IL-1R ubiquitiné, une quantité importante de Tollip été détectée dans l' endosome tardif. Nous avons pu démontrer que Tollip était nécessaire pour diriger efficacement ubiquitiné vers les lysosomes. Dans des cellules déficientes pour Tollip, ou reconstituées avec un mutant de Tollip (MF/AA) incapable de lier l'ubiquitine, IL-1RI s'accumule dans des vesicules anormales de l'endosome tardif. Dans ce travail, nous avons pu confirmer et préciser la fonction de la protéine Tollip dans l' activation de la production de cytokines induites par l' IL-1p and le LPS lors de l'inflammation et découvrir son rôle d'adaptateur dans l' internalisation et l'endocytose de l' IL-1RI.

On the existence and function of galanin receptor heteromers in the central nervous system

Galanin receptor (GalR) subtypes 1-3 linked to central galanin neurons may form heteromers with each other and other types of G protein-coupled receptors in the central nervous system (CNS). These heteromers may be one molecular mechanism for galanin peptides and their N-terminal fragments (gal 1-15) to modulate the function of different types of glia-neuronal networks in the CNS, especially the emotional and the cardiovascular networks. GalR-5-HT1A heteromers likely exist with antagonistic GalR-5-HT1A receptor-receptor interactions in the ascending midbrain raphe 5-HT neuron systems and their target regions. They represent a novel target for antidepressant drugs. Evidence is given for the existence of GalR1-5-HT1A heteromers in cellular models with trans-inhibition of the protomer signaling. A GalR1-GalR2 heteromer is proposed to be a galanin N-terminal fragment preferring receptor (1-15) in the CNS. Furthermore, a GalR1-GalR2-5-HT1A heterotrimer is postulated to explain why only galanin (1-15) but not galanin (1-29) can antagonistically modulate the 5-HT1A receptors in the dorsal hippocampus rich in gal fragment binding sites. The results underline a putative role of different types of GalR-5-HT1A heteroreceptor complexes in depression. GalR antagonists may also have therapeutic actions in depression by blocking the antagonistic GalR-NPYY1 receptor interactions in putative GalR-NPYY1 receptor heteromers in the CNS resulting in increases in NPYY1 transmission and antidepressant effects. In contrast the galanin fragment receptor (a postulated GalR1-GalR2 heteromer) appears to be linked to the NPYY2 receptor enhancing the affinity of the NPYY2 binding sites in a putative GalR1-GalR2-NPYY2 heterotrimer. Finally, putative GalR-α2-adrenoreceptor heteromers with antagonistic receptor-receptor interactions may be a widespread mechanism in the CNS for integration of galanin and noradrenaline signals also of likely relevance for depression

Photocontrolled DNA Binding of a Receptor-Targeted Organometallic Ruthenium(II) Complex

A photoactivated ruthenium(II) arene complex has been conjugated to two receptor-binding peptides, a dicarba analogue of octreotide and the Arg-Gly-Asp (RGD) tripeptide. These peptides can act as"tumor-targeting devices" since their receptors are overexpressed on the membranes of tumor cells. Both ruthenium-peptide conjugates are stable in aqueous solution in the dark, but upon irradiation with visible light, the pyridyl-derivatized peptides were selectively photodissociated from the ruthenium complex, as inferred by UV-vis and NMR spectroscopy. Importantly, the reactive aqua species generated from the conjugates, [(η6-p-cym)Ru(bpm)(H2O)]2+, reacted with the model DNA nucleobase 9-ethylguanine as well as with guanines of two DNA sequences, 5′dCATGGCT and 5′dAGCCATG. Interestingly, when irradiation was performed in the presence of the oligonucleotides, a new ruthenium adduct involving both guanines was formed as a consequence of the photodriven loss of p-cymene from the two monofunctional adducts. The release of the arene ligand and the formation of a ruthenated product with a multidentate binding mode might have important implications for the biological activity of such photoactivated ruthenium(II) arene complexes. Finally, photoreactions with the peptide-oligonucleotide hybrid, Phac-His-Gly-Met-linker-p5′dCATGGCT, also led to arene release and to guanine adducts, including a GG chelate. The lack of interaction with the peptide fragment confirms the preference of such organometallic ruthenium(II) complexes for guanine over other potential biological ligands, such as histidine or methionine amino acids.

Liquid-crystalline ordering of antimicrobial peptide-DNA complexes controls TLR9 activation.

Double-stranded DNA (dsDNA) can trigger the production of type I interferon (IFN) in plasmacytoid dendritic cells (pDCs) by binding to endosomal Toll-like receptor-9 (TLR9; refs , , , , ). It is also known that the formation of DNA-antimicrobial peptide complexes can lead to autoimmune diseases via amplification of pDC activation. Here, by combining X-ray scattering, computer simulations, microscopy and measurements of pDC IFN production, we demonstrate that a broad range of antimicrobial peptides and other cationic molecules cause similar effects, and elucidate the criteria for amplification. TLR9 activation depends on both the inter-DNA spacing and the multiplicity of parallel DNA ligands in the self-assembled liquid-crystalline complex. Complexes with a grill-like arrangement of DNA at the optimum spacing can interlock with multiple TLR9 like a zipper, leading to multivalent electrostatic interactions that drastically amplify binding and thereby the immune response. Our results suggest that TLR9 activation and thus TLR9-mediated immune responses can be modulated deterministically.

The role of Notch receptor signaling in T helper 17 cell differentiation

Antigenic recognition by naive CD4+ T cells induces their proliferation and differentiation into functionally distinct T helper (Th) cell. Each CD4+ Th cell subset expresses specific transcription factors and produces signature cytokines that coordinate immune responses against encountered pathogens. Among the factors influencing CD4+ Th cell differentiation, Notch signaling pathway has been reported to play a role in the differentiation and function of multiple CD4+Thcell subsets. Notch signaling is an evolutionarily conserved cell-to-cell signaling cascade involved in many cell fate decision processes. How Notch signaling modulates the differentiation of CD4+ Th cell subsets and whether Notch signaling alone is sufficient or not for the differentiation of CD4+ Th cells is still a matter of debate. Th17 cells are a distinct subset of CD4+ Th cells. They play a role in the control of extracellular bacterial and fungal infections and may lead to inflammatory and autoimmune diseases if not properly regulated. Th17 cells are defined by the expression of RAR-related orphan receptor (ROR)a and RORyT transcription factors and their secretion of IL-17A, IL-17F cytokines. The involvement of Notch signaling in Th17 cell differentiation has mostly been studied in vitro. However, neither the experimental conditions when Notch signaling might be involved in Th17 cell differentiation in vitro and in vivo nor the precise role of Notch in this process remain clear. To better define how Notch signaling impacts Th17 differentiation, we used mice with T cell specific ablation of Notchl and Notch2 (N1 N2ACD4Cre) or of Notch transcriptional repressor RBP- JK (RBP-J ACD4Cre). We show that impaired Notch signaling in T cells, when TCR activating signal were reduced, increased RORyT and IL-17 mRNA levels during in vitro Th17 cell differentiation. Following immunization with OVA in CFA, an adjuvant that induces mostly Th17 cell response, increased IL-17A mRNA and intracellular IL-17A levels were observed in draining lymph nodes of Notch-deficient CD4+T cells. Our data suggest that Notch limited Th17 cell differentiation. Despite high levels of IL-17 mRNA and intracellular IL-17 proteins observed in Notch-deficient T cells, their release of Th17 cytokines ex vivo was markedly decreased, indicating a role for Notch signaling. During the second part of this thesis, we observed that the impact of Notch on Th17 cell differentiation and effector functions was context-dependent using different in vivo experimental models, in which Th17 cells and IL-17A were reported to contribute in the disease development. Collectively, our data reveal that Notch signaling controls the fine-tuning of Th17 cell differentiation and effector functions by limiting their differentiation but promoting selectively cytokine release through Notch-dependent mechanisms that still need to be defined. -- Lors d'une réponse immunitaire et grâce à la reconnaissance antigénique, les lymphocytes CD4+ T naïfs prolifèrent, puis se différencient en CD4+ T auxiliaires ("T helper" ou Th) fonctionnellement distincts. Chaque sous-population de lymphocytes CD4+ T auxiliaires exprime des facteurs de transcription et des cytokines spécifiques qui coordonnent la réponse immunitaire contre les pathogènes rencontrés. Parmi les facteurs influençant la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires, la voie de signalisation Notch a été identifiée comme ayant un rôle dans la différenciation et la fonction des différents sous-types de cellules CD4+ T auxiliaires. La voie de signalisation Notch est une voie évolutivement conservée, qui est impliquée dans la signalisation entre les cellules et dans de nombreux processus de décisions cellulaires. La manière dont la voie de signalisation Notch régule la différenciation des lymphocytes CD4+ T en sous-types de cellules CD4+ auxiliaires, mais également la question de savoir si la voie de signalisation Notch est capable ou non d'induire la différenciation des cellules CD4+T auxiliaires, restent à débattre. Les cellules T auxiliaires 17 (Th17) sont un sous-type distinct de cellules CD4+T. Elles jouent un rôle important dans la défense immunitaire contre des pathogènes tels que les bactéries extracellulaires et les champignons. Une dérégulation de la réponse des cellules Th17 peut conduire à des inflammations mais également à des maladies auto-immunes. Les cellules Th17 sont définies par l'expression de leurs facteurs de transcription RAR-related orphan receptor (ROR)a, RORyT et par la sécrétion de cytokines comme IL-17A, IL-17F. Le rôle de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des cellules Th17 a principalement été démontré in vitro. Malgré tout, ni les conditions expérimentales dans lesquelles cette voie pourrait être impliquée dans la différenciation des cellules Th17 in vitro et in vivo, mais également ni la fonction exacte de Notch dans ces processus, ne sont des questions résolues. Afin de mieux définir comment la voie de signalisation Notch est impliquée dans la différenciation des cellules Th17, nous avons utilisé des souris avec une déficience spécifique dans les cellules T des récepteurs Notchl et Notch2 (N1N2ACD4Cre) ou du répresseur transcriptionnel de Notch RBP-JK (RBP-J ACD4Cre). Nous avons montré que lorsque la voie de signalisation Notch est déficiente, les niveaux d'ARN messager (ARNm) de RORyT et de IL-17A sont augmentés dans les cellules Th17 pendant la différenciation in vitro, en présence de niveaux réduits des signaux activant les cellules T CD4+. Une augmentation dans les niveaux d'ARNm de IL-17A et de IL-17A intracellulaire au niveau protéinique a été observée dans les cellules T CD4+ Notch déficientes, au niveau des ganglions drainants après immunisation avec l'OVA dans le CFA, un adjuvant induisant une réponse des cellules Th17. Nos résultats suggèrent que Notch pourrait réguler négativement l'expression de IL-17A au niveau transcriptionnel mais également protéinique. Malgré une augmentation de IL-17A au niveau de l'ARNm et protéinique dans les cellules CD4+ T Notch déficientes, paradoxalement la sécrétion de IL-17A mais également de cytokines associées aux fonctions effectrices des cellules Th17 sont profondément diminuées 6X vivo, suggérant un rôle de la voie de signalisation Notch dans ce processus. Dans la deuxième partie de ce travail de thèse, nous avons observé que l'impact de Notch dans la différenciation des cellules Th17 et dans leurs fonctions effectrices était dépendant du contexte dans d'autres modèles expérimentaux in vivo, où les cellules Th17 et l'IL-17A ont été identifiées comme ar-.riCociêSM dans le développement ds la pathologie. En résumé, nous avons montré que la voie de la signalisation Notch contrôle la régulation précise de la différenciation des cellules Th17 en limitant leur différenciation, mais en promouvant sélectivement leur relâchement en cytokines associés aux cellules Th17 par l'intermédiaire de mécanismes dépendant de Notch, qui restent toujours à déterminer. -- Lors d'une réponse immunitaire et grâce à la reconnaissance antigénique, les lymphocytes CD4+ T naïfs prolifèrent, puis se différencient en CD4+ T auxiliaires ("T helper" ou Th) fonctionnellement distincts. Chaque sous-population de lymphocytes T auxiliaires exprime des facteurs de transcription et des cytokines spécifiques qui coordonnent une réponse immunitaire contre différents pathogènes. Les mécanismes liés à la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires sont complexes et régulés. Une mauvaise régulation de la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires peut conduire à des maladies auto-immunes, mais également à des processus inflammatoires. Parmi les facteurs influençant la différenciation des lymphocytes T auxiliaires, la voie de signalisation Notch a été identifiée comme ayant un rôle dans la différenciation et la fonction des différents sous-types de cellules CD4+ T auxiliaires. La voie de signalisation Notch est une voie évolutivement conservée, qui est impliquée dans la signalisation entre les cellules, mais également dans de nombreux processus de décisions cellulaires. Quelle est l'implication de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des lymphocytes CD4+ en sous-types de cellules CD4+T auxiliaires et comment cette voie agit dans ce processus, sont des questions débattues. Les cellules T auxiliaires 17 (Th17) sont une sous-population distincte de lymphocytes CD4+. Elles jouent un rôle important dans la défense immunitaire contre les bactéries extracellulaires et les champignons. Une dérégulation de la réponse des cellules Th17 a été associée à des maladies auto-immunes et à l'inflammation. Les cellules Th17 sont définies par l'expression du facteur de transcription RAR-related orphan receptor (ROR)yT et des cytokines comme IL-17A, IL-17F. Le rôle de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des cellules Th17 a été principalement démontré dans des études expérimentales in vitro. Malgré tout, les conditions expérimentales exactes dans lesquelles la voie de signalisation de Notch pourrait être impliquée dans la différenciation des cellules Th17, mais également le rôle de Notch dans ce processus ne sont pas encore clairement élucidés. Afin de mieux définir comment la voie de signalisation Notch est impliquée dans la différenciation des cellules Th17, nous avons utilisé des souris avec une déficience spécifique dans les cellules T des récepteurs Notchl et Notch2 (N1 N2ACD4Cre) ou du répresseur transcriptionnel de Notch RBP-JK (RBP-JACD4CRE). Nous avons montré que lorsque la voie de signalisation Notch est déficiente, les niveaux d'ARN messager (ARNm) de RORyT et de IL-17 sont augmentés dans les cellules Th17 pendant leur différenciation in vitro. Cet effet de Notch sur la transcription apparaît être facultatif lorsque les conditions environnementales sont en excès in vitro. Après immunisation avec un adjuvant qui induit principalement une réponse des cellules Th17, nous avons observé que les niveaux de ARNm de IL-17A et aussi de IL-17A intracellulaire au niveau protéinique étaient augmentés dans les ganglions drainants dans les cellules CD4+ Notch déficientes. Ces résultats suggèrent que Notch pourrait réguler négativement l'expression de IL- 17 au niveau transcriptionnel mais également protéinique. Malgré des niveaux plus élevés de IL- 17 ARNm et aussi IL-17A intracellulaire dans les cellules T Notch déficientes, le relâchement en cytokines Th17 est profondément diminué indiquant un rôle de la voie de signalisation Notch dans ces processus de sécrétion. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons observé que le rôle de Notch dans ia différenciation dss cellules Ti,17 et dans leurs fonctions effectrices était dépendant du contexte dans d'autres modèles expérimentaux, qui ont été rapportés comme une réponse induisant des cellules Th17. En résumé, nos données montrent que la voie de la signalisation Notch contrôle la régulation précise de la différenciation des cellules Th17 en limitant leur différenciation mais en promouvant sélectivement le relâchement en cytokines associées aux cellules Th17 par des mécanismes dépendant de Notch qui restent toujours à déterminer. Par conséquent, l'inhibition de la voie de signalisation Notch pourrait être utilisée dans des situations inflammatoires ou d'auto-immunité où la réponse des cellules Th17 est exacerbée.