Proteomic and transcriptomic profiling of Staphylococcus aureus surface LPXTG-proteins: correlation with agr genotypes and adherence phenotypes.

Staphylococcus aureus infections involve numerous adhesins and toxins, which expression depends on complex regulatory networks. Adhesins include a family of surface proteins covalently attached to the peptidoglycan via a conserved LPXTG motif. Here we determined the protein and mRNA expression of LPXTG-proteins of S. aureus Newman in time-course experiments, and their relation to fibrinogen adherence in vitro. Experiments were performed with mutants in the global accessory-gene regulator (agr), surface protein A (Spa), and fibrinogen-binding protein A (ClfA), as well as during growth in iron-rich or iron-poor media. Surface proteins were recovered by trypsin-shaving of live bacteria. Released peptides were analyzed by liquid chromatography coupled to tandem mass-spectrometry. To unambiguously identify peptides unique to LPXTG-proteins, the analytical conditions were refined using a reference library of S. aureus LPXTG-proteins heterogeneously expressed in surrogate Lactococcus lactis. Transcriptomes were determined by microarrays. Sixteen of the 18 LPXTG-proteins present in S. aureus Newman were detected by proteomics. Nine LPXTG-proteins showed a bell-shape agr-like expression that was abrogated in agr-negative mutants including Spa, fibronectin-binding protein A (FnBPA), ClfA, iron-binding IsdA, and IsdB, immunomodulator SasH, functionally uncharacterized SasD, biofilm-related SasG and methicillin resistance-related FmtB. However, only Spa and SasH modified their proteomic and mRNA profiles in parallel in the parent and its agr- mutant, whereas all other LPXTG-proteins modified their proteomic profiles independently of their mRNA. Moreover, ClfA became highly transcribed and active in fibrinogen-adherence tests during late growth (24 h), whereas it remained poorly detected by proteomics. On the other hand, iron-regulated IsdA-B-C increased their protein expression by >10-times in iron-poor conditions. Thus, proteomic, transcriptomic, and adherence-phenotype demonstrated differential profiles in S. aureus. Moreover, trypsin peptide signatures suggested differential protein domain exposures in various environments, which might be relevant for anti-adhesin vaccines. A comprehensive understanding of the S. aureus physiology should integrate all three approaches.

How do plants feel the heat?

In plants, the heat stress response (HSR) is highly conserved and involves multiple pathways, regulatory networks and cellular compartments. At least four putative sensors have recently been proposed to trigger the HSR. They include a plasma membrane channel that initiates an inward calcium flux, a histone sensor in the nucleus, and two unfolded protein sensors in the endoplasmic reticulum and the cytosol. Each of these putative sensors is thought to activate a similar set of HSR genes leading to enhanced thermotolerance, but the relationship between the different pathways and their hierarchical order is unclear. In this review, we explore the possible involvement of different thermosensors in the plant response to warming and heat stress.

Immunological mechanisms underlying infectious and chronic lung diseases

Le système respiratoire permet l'échange de gaz entre un organisme et son environnement. Pour fonctionner efficacement, il doit lutter contre les infections tout en maintenant une tolérance aux particules inoffensives. Les cytokines sont des petites protéines qui permettent la communication entre les différentes cellules et jouent un rôle important dans la régulation de l'homéostasie et de l'immunité des surfaces pulmonaires. Une production altérée des cytokines sous-tend beaucoup de maladies du système pulmonaire. Ainsi, la compréhension de la biologie fondamentale des cytokines pourrait contribuer à la mise au point de nouveaux traitements. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le rôle de deux cytokines, le TSLP (Thymic stromal lymphopoietin) et l'IL-17 (Interleukin 17) dans les réponses immunitaires bénéfiques et nuisibles en utilisant des modèles précliniques de souris des maladies pulmonaires. L'asthme est une maladie qui est caractérisée par la bronchoconstriction réversible, l'inflammation des voies respiratoires inférieures, l'hyperréactivité bronchique et le remodelage tissulaire. Le type d'inflammation affectant les voies respiratoires et la présence ou non d'allergie permettent d'établir les différents types d'asthme. La TSLP est une cytokine qui est principalement exprimée à des niveaux élevés dans les poumons de patients souffrant d'asthme allergique. En conséquence, la majeure partie de la recherche sur la TSLP a mis l'accent sur le rôle joué par celle- ci dans les réponses négatives conduisant au développement de l'asthme allergique. Dans cette thèse, nous montrons que la TSLP joue aussi un rôle bénéfique dans les réponses immunitaires pulmonaires. Nous avons découvert que la TSLP atténue la grippe en augmentant les réponses des lymphocytes T cytotoxiques contre le virus. Nous avons également étudié la fonction de la TSLP dans l'asthme non allergique. Contrairement à l'asthme allergique, nous avons constaté que la TSLP diminue les réponses inflammatoires dans l'asthme non allergique en réglant la production de l'IL-17, une cytokine qui favorise la maladie. Ainsi, nous démontrons les fonctions pleiotropes de la TSLP dans des contextes spécifiques de la maladie. Nos résultats ont des implications importantes pour le développement de thérapies ciblant la TSLP dans l'asthme. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes pathogéniques qui sous-tendent le développement de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie chronique le plus largement associée aux fumeurs. Elle est caractérisée par une limitation progressive et irréversible du débit d'air et la destruction de la structure des poumons. L'augmentation globale de l'incidence de la maladie encourage grandement la compréhension des mécanismes pathogéniques et l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous avons découvert que les micro-organismes trouvés dans les voies respiratoires aggravent la maladie en augmentant la production de l'IL-17. L'IL-17 est une cytokine inflammatoire qui est impliquée dans plusieurs maladies pulmonaires chroniques, dont la BPCO. Dans notre modèle animal de la maladie, nous avons neutralisé 1ÌL-17A en utilisant un anticorps spécifique et observé une reprise de la fonction pulmonaire. Dans cette étude, nous avons identifié 2 axes potentiels pour l'intervention thérapeutique contre la BPCO. Cibler les bactéries dans les voies respiratoires soit par l'utilisation d'antibiotiques ou l'utilisation de thérapies à base immunitaire qui antagonisent l'activité spécifiques de l'IL-17. Dans l'avenir, notre laboratoire va collaborer avec des cliniciens pour acquérir des échantillons humains et tester la pertinence de nos résultats dans la maladie humaine. -- L'interaction avec l'environnement extérieur est vitale pour le fonctionnement du système respiratoire. Par conséquent, ce dernier a adopté une multitude de réseaux effecteurs et régulateurs qui permettent de distinguer les particules inhalées comme «dangereuses» ou «inoffensives» et de réagir en conséquence. L'équilibre entre ces réseaux est essentielle pour lutter contre le «danger» déclenché par une infection ou des dommages, et finalement pour le retour à l'homéostasie. Le milieu de cytokine local contribue de manière significative à la mise au point de ces réponses. Ainsi, la caractérisation du rôle des cytokines dans l'état d'équilibre et la maladie a des implications claires pour les interventions thérapeutiques dans les maladies respiratoires aiguës et chroniques. Cette thèse a porté sur le rôle des cytokines, la lymphopoïétine stromale thymique (TSLP) et TIL-17A dans l'élaboration de réponses immunitaires pulmonaires. La TSLP est principalement produite par les cellules épithéliales et peut cibler une myriade de cellules immunitaires. Bien qu'elle ait été montrée être un puissant inducteur des réponses de type Th2, son rôle dans d'autres contextes inflammatoires est relativement inexploré. Dans le premier projet de cette thèse, nous avons découvert une nouvelle fonction de la TSLP dans l'immunité antivirale contre la grippe, une infection virale. Nous avons constaté que la TSLP a réglementé la réponse neutrophile au début de l'infection, en amplifiant l'immunité adaptative spécifique du virus. Mécaniquement, la TSLP a augmenté l'expression de l'IL-15 et du CD70 sur les cellules dendritiques recrutées dans les poumons suite à l'infection et a renforcé leur capacité de stimuler localement les lymphocytes T CD8+ spécifiques du virus. En outre, nous avons étudié la TSLP dans le cadre de divers phénotypes de l'asthme et également démontré l'impact pléiotropique qu'elle a sur les réponses immunitaires pulmonaires. En accord avec les rapports précédents, nous avons constaté que la TSLP a exacerbé l'inflammation atopique médiée par le Th2. En revanche la TSLP a réduit les réponses de l'IL-17A et l'inflammation neutrophile subséquente dans le modèle non atopique, ainsi que l'exacerbation du modèle atopique provoqué par une infection virale. Nos résultats démontrent une dichotomie dans le rôle de la TSLP dans la pathogenèse de l'asthme et soulignent la nécessité d'envisager plusieurs phénotypes d'asthme pour une évaluation approfondie de son potentiel thérapeutique dans cette maladie. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons caractérisé les mécanismes pathogènes qui sous-tendent la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie hétérogène définie par une diminution progressive de la fonction pulmonaire. Bien que des déclencheurs environnementaux puissent aggraver la maladie, chez les personnes sensibles une maladie établie peut progresser à travers un cercle inflammatoire auto-entretenu. Nous avons cherché à définir les mécanismes sous-jacents à l'aide d'un modèle murin d'inflammation chronique, qui reproduit les caractéristiques pathologiques de la maladie humaine. Puisqu'ont été associés à la BPCO sévère des changements dans le microbiome des voies respiratoires, nous avons supposé que les signaux dérivés de certains microbes pourraient favoriser des voies inflammatoires chroniques de progression de la maladie. Nous avons observé que, en l'absence d un microbiome, la maladie s'est améliorée tel que démontré par une réduction de l'inflammation des voies respiratoires et une amélioration de la fonction pulmonaire. Cela a été lié spécifiquement à une production réduite d'IL-17A, une cytokine qui a été impliquée dans la maladie humaine. De plus la cinétique de production de 1IL- 17A dépendant du microbiote est corrélé à la sévérité de la maladie. Sur la base de ces données, la neutralisation de l'IL-17A a également eu un effet bénéfique sur l'évolution de la maladie. Le rôle significatif de 1TL-17A dans l'aggravation de la maladie a été couplé à sa capacité à engager un dialogue entre les voies inflammatoires innées et adaptatives. Il a influencé le recrutement et le phénotype des neutrophiles et des macrophages, ce qui a eu un impact direct et indirect sur la formation et la fonction des tissus lymphoïdes tertiaires associée à des stades sévères de la maladie. -- The interaction with the external environment is vital for the functioning of the respiratory system. Consequently, it has adopted a multitude of effector and regulatory networks that enable it to distinguish inhaled particles as 'dangerous' or 'innocuous' and respond accordingly. The balance between these networks is crucial to counteract the 'danger' triggered by infection or damage, and ultimately return to homeostasis. The local cytokine milieu contributes significantly to the fine- tuning of these responses. Thus, characterizing the role of cytokines in steady state and disease has clear implications for therapeutic interventions in acute and chronic respiratory disorders. This thesis focused on the role of the cytokines, thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and IL-17A in shaping pulmonary immune responses. TSLP is primarily produced by barrier epithelial cells and can target a myriad of immune cells. Although it has been shown to be potent inducer of Th2 type responses, its role in other inflammatory settings is relatively unexplored. In the first project of this thesis, we discovered a novel function of TSLP in antiviral immunity to Influenza A infection. We found that while TSLP regulated the early neutrophilic response to infection, it amplified virus specific adaptive immunity. Mechanistically, TSLP enhanced the expression of IL-15 and CD70 on the lung recruited inflammatory dendritic cells and strengthened their ability to stimulate virus specific CD8+ T cell responses locally. In addition we investigated TSLP in the context of diverse asthma phenotypes and further demonstrated the pleiotropic impact it has on pulmonary immune responses. In concurrence with previous reports we found that TSLP exacerbated Th2 mediated atopic inflammation. In contrast TSLP curtailed IL-17A responses and subsequent neutrophilic inflammation in the non-atopic model as well as virus induced exacerbation of the atopic model. Our findings demonstrate a dichotomy in the role of TSLP in asthma pathogenesis and emphasize the need to consider multiple asthma phenotypes for a thorough evaluation of its therapeutic potential in this disease. In the next part of this thesis we characterized the pathogenic mechanisms underlying chronic obstructive pulmonary disease. COPD is a heterogeneous disease defined by a progressive decline in lung function. Although environmental triggers exacerbate the disease, in susceptible individuals the established disease can progress through a self-sustained inflammatory circle. We sought to delineate the underlying mechanisms by using a murine model of chronic inflammation, which reproduced key pathological features of the human disease. As changes in the airway microbiome have been linked to severe COPD, we speculated that microbial derived signals could facilitate the establishment of chronic inflammatory pathways that favour disease progression. We found that the absence of a microbiota ameliorated disease, exhibited by a reduction in airway inflammation and an improvement in lung function. This was linked specifically to an impaired production of IL-17A, a cytokine that has been implicated in human disease. Moreover the kinetics of microbiota-dependent IL-17A production correlated with the disease severity. Based on these data targeted neutralization of IL-17A also had a beneficiai effect on the disease outcome. The prominent role played by IL-I7A in driving the disease was coupled to its ability in engaging and mediating cross talk between pathogenic innate and adaptive immune pathways. It influenced the recruitment and phenotype of neutrophils and macrophages, as well as impacted upon the formation and function of tertiary lymphoid tissue associated with severe disease. Thus, temporal and spatial changes in cytokine production, their cellular targets and interaction with the local milieu determine the balance between immunity and pathology in the lung. Collectively our findings provide novel mechanistic insights in the complex role played by cytokines in orchestrating pulmonary immune responses and have clear implications for human disease.

Network governance and the domestic adoption of soft rules

European regulatory networks (ERNs) are in charge of producing and disseminating non-bindings standards, guidelines and recommendations in a number of important domains, such as banking and finance, electricity and gas, telecommunications, and competition regulation. The goal of these soft rules is to promote 'best practices', achieve co-ordination among regulatory authorities and ensure the consistent application of harmonized pro-competition rules across Europe. This contribution examines the domestic adoption of the soft rules developed within the four main ERNs. Different factors are expected to influence the process of domestic adoption: the resources of regulators; the existence of a review panel; and the interdependence of the issues at stake. The empirical analysis supports hypotheses about the relevance of network-level factors: monitoring and public reporting procedures increase the final level of adoption, while soft rules concerning highly interdependent policy areas are adopted earlier.

Crosstalk of Notch with p53 and p63 in cancer growth control.

Understanding the complexity of cancer depends on an elucidation of the underlying regulatory networks, at the cellular and intercellular levels and in their temporal dimension. This Opinion article focuses on the multilevel crosstalk between the Notch pathway and the p53 and p63 pathways. These two coordinated signalling modules are at the interface of external damaging signals and control of stem cell potential and differentiation. Positive or negative reciprocal regulation of the two pathways can vary with cell type and cancer stage. Therefore, selective or combined targeting of the two pathways could improve the efficacy and reduce the toxicity of cancer therapies.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Genome-wide profiling of the cardiac transcriptome after myocardial infarction identifies novel heart-specific long non-coding RNAs.

AIM: Heart disease is recognized as a consequence of dysregulation of cardiac gene regulatory networks. Previously, unappreciated components of such networks are the long non-coding RNAs (lncRNAs). Their roles in the heart remain to be elucidated. Thus, this study aimed to systematically characterize the cardiac long non-coding transcriptome post-myocardial infarction and to elucidate their potential roles in cardiac homoeostasis. METHODS AND RESULTS: We annotated the mouse transcriptome after myocardial infarction via RNA sequencing and ab initio transcript reconstruction, and integrated genome-wide approaches to associate specific lncRNAs with developmental processes and physiological parameters. Expression of specific lncRNAs strongly correlated with defined parameters of cardiac dimensions and function. Using chromatin maps to infer lncRNA function, we identified many with potential roles in cardiogenesis and pathological remodelling. The vast majority was associated with active cardiac-specific enhancers. Importantly, oligonucleotide-mediated knockdown implicated novel lncRNAs in controlling expression of key regulatory proteins involved in cardiogenesis. Finally, we identified hundreds of human orthologues and demonstrate that particular candidates were differentially modulated in human heart disease. CONCLUSION: These findings reveal hundreds of novel heart-specific lncRNAs with unique regulatory and functional characteristics relevant to maladaptive remodelling, cardiac function and possibly cardiac regeneration. This new class of molecules represents potential therapeutic targets for cardiac disease. Furthermore, their exquisite correlation with cardiac physiology renders them attractive candidate biomarkers to be used in the clinic.

Functional importance of cardiac enhancer-associated noncoding RNAs in heart development and disease.

The key information processing units within gene regulatory networks are enhancers. Enhancer activity is associated with the production of tissue-specific noncoding RNAs, yet the existence of such transcripts during cardiac development has not been established. Using an integrated genomic approach, we demonstrate that fetal cardiac enhancers generate long noncoding RNAs (lncRNAs) during cardiac differentiation and morphogenesis. Enhancer expression correlates with the emergence of active enhancer chromatin states, the initiation of RNA polymerase II at enhancer loci and expression of target genes. Orthologous human sequences are also transcribed in fetal human hearts and cardiac progenitor cells. Through a systematic bioinformatic analysis, we identified and characterized, for the first time, a catalog of lncRNAs that are expressed during embryonic stem cell differentiation into cardiomyocytes and associated with active cardiac enhancer sequences. RNA-sequencing demonstrates that many of these transcripts are polyadenylated, multi-exonic long noncoding RNAs. Moreover, knockdown of two enhancer-associated lncRNAs resulted in the specific downregulation of their predicted target genes. Interestingly, the reactivation of the fetal gene program, a hallmark of the stress response in the adult heart, is accompanied by increased expression of fetal cardiac enhancer transcripts. Altogether, these findings demonstrate that the activity of cardiac enhancers and expression of their target genes are associated with the production of enhancer-derived lncRNAs.

Le coeur des ARN non codants - Un long chemin à découvrir [In the heart of noncoding RNA: a long way to go].

The identification and characterization of long noncoding RNA in a variety of tissues represent major achievements that contribute to our understanding of the molecular mechanisms controlling gene expression. In particular, long noncoding RNA play crucial roles in the epigenetic regulation of the adaptive response to environmental cues via their capacity to target chromatin modifiers to specific locus. In addition, these transcripts have been implicated in controlling splicing, translation and degradation of messenger RNA. Long noncoding RNA have also been shown to act as decoy molecules for microRNA. In the heart, a few long noncoding RNA have been demonstrated to regulate cardiac commitment and differentiation during development. Furthermore, recent findings suggest their involvement as regulators of the pathophysiological response to injury in the adult heart. Their high cellular specificity makes them attractive target molecules for innovative therapies and ideal biomarkers.

Regulation of self-renewal and detection of karyotypic changes of pluripotent human embryonic stem cells

Human embryonic stem cells are pluripotent cells capable of renewing themselves and differentiating to specialized cell types. Because of their unique regenerative potential, pluripotent cells offer new opportunities for disease modeling, development of regenerative therapies, and treating diseases. Before pluripotent cells can be used in any therapeutic applications, there are numerous challenges to overcome. For instance, the key regulators of pluripotency need to be clarified. In addition, long term culture of pluripotent cells is associated with the accumulation of karyotypic abnormalities, which is a concern regarding the safe use of the cells for therapeutic purposes. The goal of the work presented in this thesis was to identify new factors involved in the maintenance of pluripotency, and to further characterize molecular mechanisms of selected candidate genes. Furthermore, we aimed to set up a new method for analyzing genomic integrity of pluripotent cells. The experimental design applied in this study involved a wide range of molecular biology, genome-wide, and computational techniques to study the pluripotency of stem cells and the functions of the target genes. In collaboration with instrument and reagent company Perkin Elmer, KaryoliteTM BoBsTM was implemented for detecting karyotypic changes of pluripotent cells. Novel genes were identified that are highly and specifically expressed in hES cells. Of these genes, L1TD1 and POLR3G were chosen for further investigation. The results revealed that both of these factors are vital for the maintenance of pluripotency and self-renewal of the hESCs. KaryoliteTM BoBsTM was validated as a novel method to detect karyotypic abnormalities in pluripotent stem cells. The results presented in this thesis offer significant new information on the regulatory networks associated with pluripotency. The results will facilitate in understanding developmental and cancer biology, as well as creating stem cell based applications. KaryoliteTM BoBsTM provides rapid, high-throughput, and cost-efficient tool for screening of human pluripotent cell cultures.

Expression analysis of miRNA and target mRNAs in esophageal cancer

We aimed to investigate miRNAs and related mRNAs through a network-based approach in order to learn the crucial role that they play in the biological processes of esophageal cancer. Esophageal squamous-cell carcinoma (ESCC) and adenocarcinoma (EAC)-related miRNA and gene expression data were downloaded from the Gene Expression Omnibus database, and differentially expressed miRNAs and genes were selected. Target genes of differentially expressed miRNAs were predicted and their regulatory networks were constructed. Differentially expressed miRNA analysis selected four miRNAs associated with EAC and ESCC, among which hsa-miR-21 and hsa-miR-202 were shared by both diseases. hsa-miR-202 was reported for the first time to be associated with esophageal cancer in the present study. Differentially expressed miRNA target genes were mainly involved in cancer-related and signal-transduction pathways. Functional categories of these target genes were related to transcriptional regulation. The results may indicate potential target miRNAs and genes for future investigations of esophageal cancer.

Identification des réseaux transcriptionnnels de résistance aux antifongiques chez Candida albicans

Plusieurs souches cliniques de Candida albicans résistantes aux médicaments antifongiques azolés surexpriment des gènes encodant des effecteurs de la résistance appartenant à deux classes fonctionnelles : i) des transporteurs expulsant les azoles, CDR1, CDR2 et MDR1 et ii) la cible des azoles 14-lanostérol déméthylase encodée par ERG11. La surexpression de ces gènes est due à la sélection de mutations activatrices dans des facteurs de transcription à doigts de zinc de la famille zinc cluster (Zn2Cys6) qui contrôlent leur expression : Tac1p (Transcriptional activator of CDR genes 1) contrôlant l’expression de CDR1 et CDR2, Mrr1p (Multidrug resistance regulator 1), régulant celle de MDR1 et Upc2p (Uptake control 2), contrôlant celle d’ERG11. Un autre effecteur de la résistance clinique aux azoles est PDR16, encodant une transférase de phospholipides, dont la surexpression accompagne souvent celle de CDR1 et CDR2, suggérant que les trois gènes appartiennent au même régulon, potentiellement celui de Tac1p. De plus, la régulation transcriptionnelle du gène MDR1 ne dépend pas seulement de Mrr1p, mais aussi du facteur de transcription de la famille basic-leucine zipper Cap1p (Candida activator protein 1), un régulateur majeur de la réponse au stress oxydatif chez C. albicans qui, lorsque muté, induit une surexpression constitutive de MDR1 conférant la résistance aux azoles. Ces observations suggèrent qu’un réseau de régulation transcriptionnelle complexe contrôle le processus de résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans. L’objectif de mon projet au doctorat était d’identifier les cibles transcriptionnelles directes des facteurs de transcription Tac1p, Upc2p et Cap1p, en me servant d’approches génétiques et de génomique fonctionnelle, afin de i) caractériser leur réseau transcriptionnel et les modules transcriptionnels qui sont sous leur contrôle direct, et ii) d’inférer leurs fonctions biologiques et ainsi mieux comprendre leur rôle dans la résistance aux azoles. Dans un premier volet, j’ai démontré, par des expériences de génétique, que Tac1p contrôle non seulement la surexpression de CDR1 et CDR2 mais aussi celle de PDR16. Mes résultats ont identifié une nouvelle mutation activatrice de Tac1p (N972D) et ont révélé la participation d’un autre régulateur dans le contrôle transcriptionnel de CDR1 et PDR16 dont l’identité est encore inconnue. Une combinaison d’expériences de transcriptomique et d’immunoprécipitation de la chromatine couplée à l’hybridation sur des biopuces à ADN (ChIP-chip) m’a permis d’identifier plusieurs gènes dont l’expression est contrôlée in vivo et directement par Tac1p (PDR16, CDR1, CDR2, ERG2, autres), Upc2p (ERG11, ERG2, MDR1, CDR1, autres) et Cap1p (MDR1, GCY1, GLR1, autres). Ces expériences ont révélé qu’Upc2p ne contrôle pas seulement l’expression d’ERG11, mais aussi celle de MDR1 et CDR1. Plusieurs nouvelles propriétés fonctionnelles de ces régulateurs ont été caractérisées, notamment la liaison in vivo de Tac1p aux promoteurs de ses cibles de façon constitutive et indépendamment de son état d’activation, et la liaison de Cap1p non seulement à la région du promoteur de ses cibles, mais aussi celle couvrant le cadre de lecture ouvert et le terminateur transcriptionnel putatif, suggérant une interaction physique avec la machinerie de la transcription. La caractérisation du réseau transcriptionnel a révélé une interaction fonctionnnelle entre ces différents facteurs, notamment Cap1p et Mrr1p, et a permis d’inférer des fonctions biologiques potentielles pour Tac1p (trafic et la mobilisation des lipides, réponse au stress oxydatif et osmotique) et confirmer ou proposer d’autres fonctions pour Upc2p (métabolisme des stérols) et Cap1p (réponse au stress oxydatif, métabolisme des sources d’azote, transport des phospholipides). Mes études suggèrent que la résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans est intimement liée au métabolisme des lipides membranaires et à la réponse au stress oxydatif.

Une nouvelle approche computationnelle pour la découverte des sites de fixation de facteurs de transcription à l’ADN, adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage

Les facteurs de transcription sont des protéines spécialisées qui jouent un rôle important dans différents processus biologiques tel que la différenciation, le cycle cellulaire et la tumorigenèse. Ils régulent la transcription des gènes en se fixant sur des séquences d’ADN spécifiques (éléments cis-régulateurs). L’identification de ces éléments est une étape cruciale dans la compréhension des réseaux de régulation des gènes. Avec l’avènement des technologies de séquençage à haut débit, l’identification de tout les éléments fonctionnels dans les génomes, incluant gènes et éléments cis-régulateurs a connu une avancée considérable. Alors qu’on est arrivé à estimer le nombre de gènes chez différentes espèces, l’information sur les éléments qui contrôlent et orchestrent la régulation de ces gènes est encore mal définie. Grace aux techniques de ChIP-chip et de ChIP-séquençage il est possible d’identifier toutes les régions du génome qui sont liées par un facteur de transcription d’intérêt. Plusieurs approches computationnelles ont été développées pour prédire les sites fixés par les facteurs de transcription. Ces approches sont classées en deux catégories principales: les algorithmes énumératifs et probabilistes. Toutefois, plusieurs études ont montré que ces approches génèrent des taux élevés de faux négatifs et de faux positifs ce qui rend difficile l’interprétation des résultats et par conséquent leur validation expérimentale. Dans cette thèse, nous avons ciblé deux objectifs. Le premier objectif a été de développer une nouvelle approche pour la découverte des sites de fixation des facteurs de transcription à l’ADN (SAMD-ChIP) adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. Notre approche implémente un algorithme hybride qui combine les deux stratégies énumérative et probabiliste, afin d’exploiter les performances de chacune d’entre elles. Notre approche a montré ses performances, comparée aux outils de découvertes de motifs existants sur des jeux de données simulées et des jeux de données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. SAMD-ChIP présente aussi l’avantage d’exploiter les propriétés de distributions des sites liés par les facteurs de transcription autour du centre des régions liées afin de limiter la prédiction aux motifs qui sont enrichis dans une fenêtre de longueur fixe autour du centre de ces régions. Les facteurs de transcription agissent rarement seuls. Ils forment souvent des complexes pour interagir avec l’ADN pour réguler leurs gènes cibles. Ces interactions impliquent des facteurs de transcription dont les sites de fixation à l’ADN sont localisés proches les uns des autres ou bien médier par des boucles de chromatine. Notre deuxième objectif a été d’exploiter la proximité spatiale des sites liés par les facteurs de transcription dans les régions de ChIP-chip et de ChIP-séquençage pour développer une approche pour la prédiction des motifs composites (motifs composés par deux sites et séparés par un espacement de taille fixe). Nous avons testé ce module pour prédire la co-localisation entre les deux demi-sites ERE qui forment le site ERE, lié par le récepteur des œstrogènes ERα. Ce module a été incorporé à notre outil de découverte de motifs SAMD-ChIP.

Le dialogue des juges entre la Cour européenne des droits de l’homme et la Cour interaméricaine des droits de l’homme

Cette étude a pour but de présenter le dialogue entre les juges de la Cour européenne des droits de l’homme (CEDH) et de la Cour interaméricaine des droits de l’homme (CIADH), deux Cours régionales supranationales, visant toutes deux à garantir le respect des droits fondamentaux. Le dialogue est étudié à travers l’analyse du contentieux portant sur l’intégrité de la personne humaine et sur la protection des droits économiques et sociaux. Ce sujet se rattache au contexte de mondialisation qui vient transformer les relations de pouvoir et révèle l’émancipation des juges dans la régulation transgouvernementale. Le présent mémoire conclut que le dialogue vise à établir une cohérence entre les systèmes afin de faire prévaloir une vision commune des droits de l’homme à travers la constitution d’un espace euro-américain, tel un réseau d’échange informel. Néanmoins, le dialogue est limité par certains facteurs contextuels liés aux réalités contrastées des deux systèmes régionaux ainsi que par la volonté des acteurs étatiques.

Iron Uptake and Homeostasis in Microorganisms

Preface. Iron is considered to be a minor element employed, in a variety of forms, by nearly all living organisms. In some cases, it is utilised in large quantities, for instance for the formation of magnetosomes within magnetotactic bacteria or during use of iron as a respiratory donor or acceptor by iron oxidising or reducing bacteria. However, in most cases the role of iron is restricted to its use as a cofactor or prosthetic group assisting the biological activity of many different types of protein. The key metabolic processes that are dependent on iron as a cofactor are numerous; they include respiration, light harvesting, nitrogen fixation, the Krebs cycle, redox stress resistance, amino acid synthesis and oxygen transport. Indeed, it is clear that Life in its current form would be impossible in the absence of iron. One of the main reasons for the reliance of Life upon this metal is the ability of iron to exist in multiple redox states, in particular the relatively stable ferrous (Fe2+) and ferric (Fe3+) forms. The availability of these stable oxidation states allows iron to engage in redox reactions over a wide range of midpoint potentials, depending on the coordination environment, making it an extremely adaptable mediator of electron exchange processes. Iron is also one of the most common elements within the Earth’s crust (5% abundance) and thus is considered to have been readily available when Life evolved on our early, anaerobic planet. However, as oxygen accumulated (the ‘Great oxidation event’) within the atmosphere some 2.4 billion years ago, and as the oceans became less acidic, the iron within primordial oceans was converted from its soluble reduced form to its weakly-soluble oxidised ferric form, which precipitated (~1.8 billion years ago) to form the ‘banded iron formations’ (BIFs) observed today in Precambrian sedimentary rocks around the world. These BIFs provide a geological record marking a transition point away from the ancient anaerobic world towards modern aerobic Earth. They also indicate a period over which the bio-availability of iron shifted from abundance to limitation, a condition that extends to the modern day. Thus, it is considered likely that the vast majority of extant organisms face the common problem of securing sufficient iron from their environment – a problem that Life on Earth has had to cope with for some 2 billion years. This struggle for iron is exemplified by the competition for this metal amongst co-habiting microorganisms who resort to stealing (pirating) each others iron supplies! The reliance of micro-organisms upon iron can be disadvantageous to them, and to our innate immune system it represents a chink in the microbial armour, offering an opportunity that can be exploited to ward off pathogenic invaders. In order to infect body tissues and cause disease, pathogens must secure all their iron from the host. To fight such infections, the host specifically withdraws available iron through the action of various iron depleting processes (e.g. the release of lactoferrin and lipocalin-2) – this represents an important strategy in our defence against disease. However, pathogens are frequently able to deploy iron acquisition systems that target host iron sources such as transferrin, lactoferrin and hemoproteins, and thus counteract the iron-withdrawal approaches of the host. Inactivation of such host-targeting iron-uptake systems often attenuates the pathogenicity of the invading microbe, illustrating the importance of ‘the battle for iron’ in the infection process. The role of iron sequestration systems in facilitating microbial infections has been a major driving force in research aimed at unravelling the complexities of microbial iron transport processes. But also, the intricacy of such systems offers a challenge that stimulates the curiosity. One such challenge is to understand how balanced levels of free iron within the cytosol are achieved in a way that avoids toxicity whilst providing sufficient levels for metabolic purposes – this is a requirement that all organisms have to meet. Although the systems involved in achieving this balance can be highly variable amongst different microorganisms, the overall strategy is common. On a coarse level, the homeostatic control of cellular iron is maintained through strict control of the uptake, storage and utilisation of available iron, and is co-ordinated by integrated iron-regulatory networks. However, much yet remains to be discovered concerning the fine details of these different iron regulatory processes. As already indicated, perhaps the most difficult task in maintaining iron homeostasis is simply the procurement of sufficient iron from external sources. The importance of this problem is demonstrated by the plethora of distinct iron transporters often found within a single bacterium, each targeting different forms (complex or redox state) of iron or a different environmental condition. Thus, microbes devote considerable cellular resource to securing iron from their surroundings, reflecting how successful acquisition of iron can be crucial in the competition for survival. The aim of this book is provide the reader with an overview of iron transport processes within a range of microorganisms and to provide an indication of how microbial iron levels are controlled. This aim is promoted through the inclusion of expert reviews on several well studied examples that illustrate the current state of play concerning our comprehension of how iron is translocated into the bacterial (or fungal) cell and how iron homeostasis is controlled within microbes. The first two chapters (1-2) consider the general properties of microbial iron-chelating compounds (known as ‘siderophores’), and the mechanisms used by bacteria to acquire haem and utilise it as an iron source. The following twelve chapters (3-14) focus on specific types of microorganism that are of key interest, covering both an array of pathogens for humans, animals and plants (e.g. species of Bordetella, Shigella, , Erwinia, Vibrio, Aeromonas, Francisella, Campylobacter and Staphylococci, and EHEC) as well as a number of prominent non-pathogens (e.g. the rhizobia, E. coli K-12, Bacteroides spp., cyanobacteria, Bacillus spp. and yeasts). The chapters relay the common themes in microbial iron uptake approaches (e.g. the use of siderophores, TonB-dependent transporters, and ABC transport systems), but also highlight many distinctions (such as use of different types iron regulator and the impact of the presence/absence of a cell wall) in the strategies employed. We hope that those both within and outside the field will find this book useful, stimulating and interesting. We intend that it will provide a source for reference that will assist relevant researchers and provide an entry point for those initiating their studies within this subject. Finally, it is important that we acknowledge and thank wholeheartedly the many contributors who have provided the 14 excellent chapters from which this book is composed. Without their considerable efforts, this book, and the understanding that it relays, would not have been possible. Simon C Andrews and Pierre Cornelis