The role of ubiquitin-proteasome system in glioma survival and growth.

High-grade gliomas represent a group of aggressive brain tumors with poor prognosis due to an inherent capacity of persistent cell growth and survival. The ubiquitin-proteasome system (UPS) is an intracellular machinery responsible for protein turnover. Emerging evidence implicates various proteins targeted for degradation by the UPS in key survival and proliferation signaling pathways of these tumors. In this review, we discuss the involvement of UPS in the regulation of several mediators and effectors of these pathways in malignant gliomas.

Regulation of frizzled receptor activity at the plasma membrane : an interplay of the receptor, the trimeric G protein Go, and RGS protein and a scaffolding protein Kermit

G-protein-signaling pathways convey extracellular signals inside the cells and regulate distinct physiological responses. This type of signaling pathways consists of three major components: G-protein-coupled receptors (GPCRs), heterotrimeric G proteins (G-proteins) and downstream effectors. Upon ligand binding, GPCRs activate heterotrimeric G proteins to initiate the signaling cascade. Dysfunction of GPCR signaling correlates with numerous diseases such as diabetes, nervous and immune system deficiency, and cancer. As the signaling switcher, G-proteins (Gs, Gq/11, G12/13, and Gi/o) have been an appealing topic of research for decades. A heterotrimeric G-protein is composed of three subunits, the guanine nucleotide associated a-subunit, ß and y subunits. In general, the duration of signaling is determined by the lifetime of activated (GTP bound) Ga subunits. Identification of novel communication partners of Ga subunits appears to be an attractive way to understand the machinery of GPCR signaling. In our lab, we mainly focus on Gao, which is abundantly expressed in the nervous system. Here we present two novel interacting partners of Drosophila Gao: Dhit and Kermit, identified through yeast two-hybrid screening and genetic screening respectively. Dhit is characterized by a small size with a conserved RGS domain and an N-terminal cysteine rich motif. The RGS domain possesses the GAP (GTPase activating protein) activity towards G proteins. However, we found that Dhit exerts not only the GAP activity but also the GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) activity towards Gao. The unexpected GDI activity is preserved in GAIP/RGS19 - a mammalian homologue of Dhit. Further experiments confirmed the GDI activity of Dhit and GAIP/RGS19 in Drosophila and mammalian cell models. Therefore, we propose that Dhit and its mammalian homologues modulate GPCR signaling by a double suppression of Ga subunits - suppression of their nucleotide exchange with GTP and acceleration of their hydrolysis of GTP. Kermit/GEPC was first identified as a binding partner of GAIP/RGS19 in a yeast two- hybrid screen. Instead of interacting with the Drosophila homologue of GAIP/RGS19 (Dhit), Kermit binds to Gao in vivo and in vitro. The functional consequence of Kermit/Gao interaction is the regulation of localization of Vang (one of the planar cell polarity core components) at the apical membrane. Overall, my work elaborated the action of Gao with its two interaction partners in Gao- mediated signaling pathway. Conceivably, the understanding of GPCR signaling including Gao and its regulators or effectors will ultimately shed light on future pharmaceutical research. - Les voies de signalisation médiées par les protéines G transmettent des signaux extracellulaires à l'intérieur des cellules pour réguler des réponses physiologiques distinctes. Cette voie de signalisation consiste en trois composants majeurs : les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs), les protéines G hétérotrimériques (G-proteins) et les effecteurs en aval. Suite à la liaison du ligand, les GPCRs activent les protéines G hétérotrimériques qui initient la cascade de signalisation. Des dysfonctions dans la signalisation médiée par les GPCRs sont corrélées avec de nombreuses maladies comme le diabète, des déficiences immunes et nerveuses, ainsi que le cancer. Puisque la voie de signalisation s'active et se désactive, les protéines G (Gs, Gq/11, G12/13 et Gi/o) ont été un sujet de recherche attrayant pendant des décennies. Une protéine G hétérotrimérique est composée de trois sous-unités, la sous-unité a associée au nucléotide guanine, ainsi que les sous-unités ß et y. En général, la durée du signal est déterminée par le temps de demi-vie des sous-unités Ga activées (Ga liées au GTP). Identifier de nouveaux partenaires de communication des sous-unités Ga se révèle être un moyen attractif de comprendre la machinerie de la signalisation par les GPCRs. Dans notre laboratoire nous nous sommes concentrés principalement sur Gao qui est exprimée de manière abondante dans le système nerveux. Nous présentons ici deux nouveaux partenaires qui interagissent avec Gao chez la drosophile: Dhit et Kermit, qui ont été identifiés respectivement par la méthode du yeast two-hybrid et par criblage génétique. Dhit est caractérisé par une petite taille, avec un domaine RGS conservé et un motif N- terminal riche en cystéines. Le domaine RGS contient une activité GAP (GTPase activating protein) pour les protéines G. Toutefois, nous avons découvert que Dhit exerce non seulement une activité GAP mais aussi une activité GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) à l'égard de Gao. Cette activité GDI inattendue est préservée dans RGS19 - un homologue de Dhit chez les mammifères. Des expériences supplémentaires ont confirmé l'activité GDI de Dhit et de RGS19 chez Drosophila melanogaster et les modèles cellulaires mammifères. Par conséquent, nous proposons que Dhit et ses homologues mammifères modulent la signalisation GPCR par une double suppression des sous-unités Ga - suppression de leur nucléotide d'échange avec le GTP et une accélération dans leur hydrolyse du GTP. Kermit/GIPC a été premièrement identifié comme un partenaire de liaison de RGS19 dans le criblage par yeast two-hybrid. Au lieu d'interagir avec l'homologue chez la drosophile de RGS19 (Dhit), Kermit se lie à Gao in vivo et in vitro. La conséquence fonctionnelle de l'interaction Kermit/Gao est la régulation de la localisation de Vang, un des composants essentiel de la polarité planaire cellulaire, à la membrane apicale. Globalement, mon travail a démontré l'action de Gao avec ses deux partenaires d'interaction dans la voie de signalisation médiée par Gao. La compréhension de la signalisation par les GPCRs incluant Gao et ses régulateurs ou effecteurs aboutira à mettre en lumière de futurs axes dans la recherche pharmacologique.

Immune responses to Helicobacter pylori infection.

Helicobacter pylori (H. pylori) infection is one of the most common infections in human beings worldwide. H. pylori express lipopolysaccharides and flagellin that do not activate efficiently Toll-like receptors and express dedicated effectors, such as γ-glutamyl transpeptidase, vacuolating cytotoxin (vacA), arginase, that actively induce tolerogenic signals. In this perspective, H. pylori can be considered as a commensal bacteria belonging to the stomach microbiota. However, when present in the stomach, H. pylori reduce the overall diversity of the gastric microbiota and promote gastric inflammation by inducing Nod1-dependent pro-inflammatory program and by activating neutrophils through the production of a neutrophil activating protein. The maintenance of a chronic inflammation in the gastric mucosa and the direct action of virulence factors (vacA and cytotoxin-associated gene A) confer pro-carcinogenic activities to H. pylori. Hence, H. pylori cannot be considered as symbiotic bacteria but rather as part of the pathobiont. The development of a H. pylori vaccine will bring health benefits for individuals infected with antibiotic resistant H. pylori strains and population of underdeveloped countries.

cGMP-dependent protein kinase type I is implicated in the regulation of the timing and quality of sleep and wakefulness.

Many effects of nitric oxide (NO) are mediated by the activation of guanylyl cyclases and subsequent production of the second messenger cyclic guanosine-3',5'-monophosphate (cGMP). cGMP activates cGMP-dependent protein kinases (PRKGs), which can therefore be considered downstream effectors of NO signaling. Since NO is thought to be involved in the regulation of both sleep and circadian rhythms, we analyzed these two processes in mice deficient for cGMP-dependent protein kinase type I (PRKG1) in the brain. Prkg1 mutant mice showed a strikingly altered distribution of sleep and wakefulness over the 24 hours of a day as well as reductions in rapid-eye-movement sleep (REMS) duration and in non-REM sleep (NREMS) consolidation, and their ability to sustain waking episodes was compromised. Furthermore, they displayed a drastic decrease in electroencephalogram (EEG) power in the delta frequency range (1-4 Hz) under baseline conditions, which could be normalized after sleep deprivation. In line with the re-distribution of sleep and wakefulness, the analysis of wheel-running and drinking activity revealed more rest bouts during the activity phase and a higher percentage of daytime activity in mutant animals. No changes were observed in internal period length and phase-shifting properties of the circadian clock while chi-squared periodogram amplitude was significantly reduced, hinting at a less robust oscillator. These results indicate that PRKG1 might be involved in the stabilization and output strength of the circadian oscillator in mice. Moreover, PRKG1 deficiency results in an aberrant pattern, and consequently a reduced quality, of sleep and wakefulness, possibly due to a decreased wake-promoting output of the circadian system impinging upon sleep.

Functional genomics of intracellular bacteria.

During the genomic era, a large amount of whole-genome sequences accumulated, which identified many hypothetical proteins of unknown function. Rapidly, functional genomics, which is the research domain that assign a function to a given gene product, has thus been developed. Functional genomics of intracellular pathogenic bacteria exhibit specific peculiarities due to the fastidious growth of most of these intracellular micro-organisms, due to the close interaction with the host cell, due to the risk of contamination of experiments with host cell proteins and, for some strict intracellular bacteria such as Chlamydia, due to the absence of simple genetic system to manipulate the bacterial genome. To identify virulence factors of intracellular pathogenic bacteria, functional genomics often rely on bioinformatic analyses compared with model organisms such as Escherichia coli and Bacillus subtilis. The use of heterologous expression is another common approach. Given the intracellular lifestyle and the many effectors that are used by the intracellular bacteria to corrupt host cell functions, functional genomics is also often targeting the identification of new effectors such as those of the T4SS of Brucella and Legionella.

Antigen affinity and antigen dose exert distinct influences on CD4 T-cell differentiation.

Cumulative T-cell receptor signal strength and ensuing T-cell responses are affected by both antigen affinity and antigen dose. Here we examined the distinct contributions of these parameters to CD4 T-cell differentiation during infection. We found that high antigen affinity positively correlates with T helper (Th)1 differentiation at both high and low doses of antigen. In contrast, follicular helper T cell (TFH) effectors are generated after priming with high, intermediate, and low affinity ligand. Unexpectedly, memory T cells generated after priming with very low affinity antigen remain impaired in their ability to generate secondary Th1 effectors, despite being recalled with high affinity antigen. These data challenge the view that only strongly stimulated CD4 T cells are capable of differentiating into the TFH and memory T-cell compartments and reveal that differential strength of stimulation during primary T-cell activation imprints unique and long lasting T-cell differentiation programs.

Cell death-induced activation of epidermal growth factor receptor in keratinocytes: implications for restricting epidermal damage in dermatitis.

Recent findings have implicated Fas/Fas ligand (FasL) in mediating the death of keratinocytes in spongiotic lesions. We asked whether dying keratinocytes could potentially initiate a protective response of the skin to limit the destruction of the epidermis in the spongiotic areas. In addition to apoptosis, treatment of keratinocyte cultures in vitro with FasL triggers a profound phoshorylation of the epidermal growth factor receptor (EGFR) and of its downstream effectors ERK and protein kinase B (PKB/Akt). Using a variety of inhibitors and blocking antibodies, we demonstrated that: (i) apoptosis is required for the generation of the signal(s) leading to the activation of EGFR, ERK, and Akt; (ii) the activation of EGFR, ERK, and Akt by FasL is indeed mediated by its bona fide receptor Fas; (iii) the activation of EGFR is essential for the subsequent activation of ERK and Akt; and (iv) apoptotic keratinocytes secrete soluble EGFR ligands (including amphiregulin) that are processed from membrane-bound proligand forms by metalloproteinase(s). Our findings demonstrate a potential mechanism for the restriction and repair of spongiotic damage in eczemas.

Ectodysplasin A (EDA) - EDA receptor signalling and its pharmacological modulation.

The TNF family ligand ectodysplasin A (EDA) regulates the induction, morphogenesis and/or maintenance of skin-derived structures such as teeth, hair, sweat glands and several other glands. Deficiencies in the EDA - EDA receptor (EDAR) signalling pathway cause hypohidrotic ectodermal dysplasia (HED). This syndrome is characterized by the absence or malformation of several skin-derived appendages resulting in hypotrychosis, hypodontia, heat-intolerance, dry skin and dry eyes, susceptibility to airways infections and crusting of various secretions. The EDA-EDAR system is an important effector of canonical Wnt signalling in developing skin appendages. It functions by stimulating NF-κB-mediated transcription of effectors or inhibitors of the Wnt, Sonic hedgehog (SHH), fibroblast growth factor (FGF) and transforming growth factor beta (TGFβ) pathways that regulate interactions within or between epithelial and mesenchymal cells and tissues. In animal models of Eda-deficiency, soluble EDAR agonists can precisely correct clinically relevant symptoms with low side effects even at high agonist doses, indicating that efficient negative feedback signals occur in treated tissues. Hijacking of the placental antibody transport system can help deliver active molecules to developing foetuses in a timely manner. EDAR agonists may serve to treat certain forms of ectodermal dysplasia.

Insulin dysfunction and allostic load in bipolar disorder

Bipolar disorder (BD) is associated with substantial morbidity, as well as premature mortality. Available evidence indicates that 'stress-sensitive' chronic medical disorders, such as cardiovascular disease, obesity and Type 2 diabetes mellitus, are critical mediators and/or moderators of BD. Changes in physiologic systems implicated in allostasis have been proposed to impact brain structures and neurocognition, as well as medical comorbidity in this population. For example, abnormalities in insulin physiology, for example, insulin resistance, hyperinsulinemia and central insulinopenia, are implicated as effectors of allostatic load in BD. Insulin's critical role in CNS physiological (e.g., neurotrophism and synaptic plasticity) and pathophysiological (e.g., neurocognitive deficits, pro-apoptosis and amyloid deposition) processes is amply documented. This article introduces the concept that insulin is a mediator of allostatic load in the BD and possibly a therapeutic target.

Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

MHC Class II Transactivator Is an In Vivo Regulator of Osteoclast Differentiation and Bone Homeostasis Co-opted From Adaptive Immunity.

The molecular networks controlling bone homeostasis are not fully understood. The common evolution of bone and adaptive immunity encourages the investigation of shared regulatory circuits. MHC Class II Transactivator (CIITA) is a master transcriptional co-activator believed to be exclusively dedicated for antigen presentation. CIITA is expressed in osteoclast precursors, and its expression is accentuated in osteoporotic mice. We thus asked whether CIITA plays a role in bone biology. To this aim, we fully characterized the bone phenotype of two mouse models of CIITA overexpression, respectively systemic and restricted to the monocyte-osteoclast lineage. Both CIITA-overexpressing mouse models revealed severe spontaneous osteoporosis, as assessed by micro-computed tomography and histomorphometry, associated with increased osteoclast numbers and enhanced in vivo bone resorption, whereas osteoblast numbers and in vivo bone-forming activity were unaffected. To understand the underlying cellular and molecular bases, we investigated ex vivo the differentiation of mutant bone marrow monocytes into osteoclasts and immune effectors, as well as osteoclastogenic signaling pathways. CIITA-overexpressing monocytes differentiated normally into effector macrophages or dendritic cells but showed enhanced osteoclastogenesis, whereas CIITA ablation suppressed osteoclast differentiation. Increased c-fms and receptor activator of NF-κB (RANK) signaling underlay enhanced osteoclast differentiation from CIITA-overexpressing precursors. Moreover, by extending selected phenotypic and cellular analyses to additional genetic mouse models, namely MHC Class II deficient mice and a transgenic mouse line lacking a specific CIITA promoter and re-expressing CIITA in the thymus, we excluded MHC Class II expression and T cells from contributing to the observed skeletal phenotype. Altogether, our study provides compelling genetic evidence that CIITA, the molecular switch of antigen presentation, plays a novel, unexpected function in skeletal homeostasis, independent of MHC Class II expression and T cells, by exerting a selective and intrinsic control of osteoclast differentiation and bone resorption in vivo. © 2014 American Society for Bone and Mineral Research.

Characterisation of the putative effector interaction site of the regulatory HbpR protein from Pseudomonas azelaica by site-directed mutagenesis.

Bacterial transcription activators of the XylR/DmpR subfamily exert their expression control via σ(54)-dependent RNA polymerase upon stimulation by a chemical effector, typically an aromatic compound. Where the chemical effector interacts with the transcription regulator protein to achieve activation is still largely unknown. Here we focus on the HbpR protein from Pseudomonas azelaica, which is a member of the XylR/DmpR subfamily and responds to biaromatic effectors such as 2-hydroxybiphenyl. We use protein structure modeling to predict folding of the effector recognition domain of HbpR and molecular docking to identify the region where 2-hydroxybiphenyl may interact with HbpR. A large number of site-directed HbpR mutants of residues in- and outside the predicted interaction area was created and their potential to induce reporter gene expression in Escherichia coli from the cognate P(C) promoter upon activation with 2-hydroxybiphenyl was studied. Mutant proteins were purified to study their conformation. Critical residues for effector stimulation indeed grouped near the predicted area, some of which are conserved among XylR/DmpR subfamily members in spite of displaying different effector specificities. This suggests that they are important for the process of effector activation, but not necessarily for effector specificity recognition.

Circulating Tumor-reactive CD8(+) T cells in melanoma patients contain a CD45RA(+)CCR7(-) effector subset exerting ex vivo tumor-specific cytolytic activity.

To defend the host from malignancies, the immune system can spontaneously raise CD8(+) T-cell responses against tumor antigens. Investigating the functional state of tumor-reactive cytolytic T cells in cancer patients is a key step for understanding the role of these cells in tumor immunosurveillance and for evaluating the potential of immunotherapeutic approaches of vaccination against cancer. In this study we identified a subset of circulating tumor-reactive CD8(+) T lymphocytes, which specifically secreted IFN-gamma after exposition to autologous tumor cell lines in stage IV metastatic melanoma patients. Additional phenotypic characterization using multicolor flow cytometry revealed that a significant fraction of these cells were CD45RA(+)CCR7(-), a phenotype that has been proposed recently to characterize cytolytic effectors potentially able to home into inflamed tissues. In the case of an HLA-A2-expressing patient, the antigen specificity of this population was identified by using HLA-A2/peptide multimers incorporating a tyrosinase-derived peptide. Consistently with their phenotypic characteristics, A2/tyrosinase peptide multimer(+) CD8(+) T cells, isolated by cell sorting, were directly lytic ex vivo and able to specifically recognize tyrosinase-expressing tumor cells. Overall, these results provide the first evidence that a proportion of melanoma patients have circulating tumor-reactive T cells, which are lytic effectors cells.

Wärtsilä Field Service - Kehittämisen välineenä oppiva organisaatio ja innovaatiot

Pro gradu tutkimuksessa käsitellään oppivan organisaation ja innovatiivisuuden teorioita eri näkökulmista. Kirjallisuuskatsauksen jälkeen esitellään Turun Wärtsilä Field Service, ja empiirisessä osiossa teetetään edellä mainittuihin aiheisiin liittyen kaksi ryhmähaastattelua osaston työntekijöillä. Tämä pro gradu syntyi tarpeesta toteuttaa tutkimus Wärtsilä Field Servicessä tekijöistä, jotka vaikuttavat innovatiiviseen toimintaa sekä tiedon välittymiseen. Haastattelujen pohjalta syntyy ensi kertaa suomenkielistä materiaalia Wärtsilä kenttähuollon työntekijöiden mielipiteistä ja innovatiivisuutta estävistä ja edistävistä tekijöistä. Tämä on myös gradun päätutkimus kohde. Oppivat organisaatiot pyrkivät jatkuvasti uusiutumaan ympäristön vaatimustenmukaisesti ja analysoimaan omaa toimintaansa. Täten yksilöiltä edellytetään jatkuvaa muutosvalmiutta, innovatiivisuutta ja oppimisvalmiutta. Tämän perusteella,tässä tutkimuksessa, innovatiivisuus oletetaan kuuluvaksi myös erottamattomastioppiviin organisaatioihin. Lisäksi informaation välittyminen huomioidaan tutkimuksessa keskeisenä tekijänä, sillä innovatiivisuus kanavoituu yrityksen eduksi parhaiten, mikäli työntekijät saadaan jakamaan tietoa avoimesti. Tutkimuksen tavoitteena on palvella johtoa, ja antaa pohja selvitystyölle kehitettäessä yrityksen toimintaa, ja kerättäessä ideoita, jotka lopulta tuottavat lisäarvoa yrityksen toiminnalle. Ryhmähaastattelujen tuloksena syntyy ehdotelmia toteuttamiskelpoisista arkipäivän toimintaan liittyvistä parannuksista, joita Wärtsilän kenttähuollossa on mahdollista soveltaa.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.