Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Uncovering a role for micro-RNAs in sleep homeostasis and energy metabolism

Micro-RNAs (miRNAs) are key, post-transcriptional regulators of gene expression and have been implicated in almost every cellular process investigated thus far. However, their role in sleep, in particular the homeostatic aspect of sleep control, has received little attention. We here assessed the effects of sleep deprivation on the brain miRNA transcriptome in the mouse. Sleep deprivation affected miRNA expression in a brain-region specific manner. The forebrain expression of the miRNA miR-709 was affected the most and in situ analyses confirmed its robust increase throughout the brain, especially in the cerebral cortex and the hippocampus. The hippocampus was a major target of the sleep deprivation affecting 37 miRNAs compared to 52 in the whole forebrain. Moreover, independent from the sleep deprivation condition, miRNA expression was highly region-specific with 45% of all expressed miRNAs showing higher expression in hippocampus and 55% in cortex. Next we demonstrated that down-regulation of miRNAs in Com/c2o-expressing neurons of adult mice, through a conditional and inducible Dicer knockout mice model (cKO), results in an altered homeostatic response after sleep deprivation eight weeks following the tamoxifen-induced recombination. Dicer cKO mice showed a larger increase in the electro-encephalographic (EEG) marker of sleep pressure, EEG delta power, and a reduced Rapid Eye Movement sleep rebound, compared to controls, highlighting a functional role of miRNAs in sleep homeostasis. Beside a sleep phenotype, Dicer cKO mice developed an unexpected, severe obesity phenotype associated with hyperphagia and altered metabolism. Even more surprisingly, after reaching maximum body weight 5 weeks after tamoxifen injection, obese cKO mice spontaneously started losing weight as rapidly as it was gained. Brain transcriptome analyses in obese mice identified several obesity-related pathways (e.g. leptin, somatostatin, and nemo-like kinase signaling), as well as genes involved in feeding and appetite (e.g. Pmch, Neurotensin). A gene cluster with anti-correlated expression in the cerebral cortex of post-obese compared to obese mice was enriched for synaptic plasticity pathways. While other studies have identified a role for miRNAs in obesity, we here present a unique model that allows for the study of processes involved in reversing obesity. Moreover, our study identified the cortex as a brain area important for body weight homeostasis. Together, these observations strongly suggest a role for miRNAs in the maintenance of homeostatic processes in the mouse, and support the hypothesis of a tight relationship between sleep and metabolism at a molecular - Les micro-ARNS (miARNs) sont des régulateurs post-transcriptionnels de l'expression des gènes, impliqués dans la quasi-totalité des processus cellulaires. Cependant, leur rôle dans la régulation du sommeil, et en particulier dans le maintien de l'homéostasie du sommeil, n'a reçu que très peu d'attention jusqu'à présent. Dans cette étude, nous avons étudié les conséquences d'une privation de sommeil sur l'expression cérébrale des miARNs chez la souris, et observé des changements dans l'expression de nombreux miARNs. Dans le cerveau antérieur, miR-709 est le miARN le plus affecté par la perte de sommeil, en particulier dans le cortex cérébral et l'hippocampe. L'hippocampe est la région la plus touchée avec 37 miARNs changés comparés à 52 dans le cerveau entier. Par ailleurs, indépendamment de la privation de sommeil, certains miARNs sont spécifiquement enrichis dans certaines aires cérébrales, 45% des miARNs étant surexprimés dans l'hippocampe contre 55% dans le cortex. Dans une seconde étude, nous avons observé que la délétion de DICER, enzyme essentielle à la biosynthèse des miARNs, et la perte subséquente des miARNs dans les neurones exprimant la protéine CAMK2a altère la réponse homéostatique à une privation de sommeil, 8 semaines après l'induction de la recombinaison génétique par le tamoxifen. Les souris sans Dicer (cKO) ont une plus large augmentation de l'EEG delta power, le principal marqueur électro-encéphalographique du besoin de sommeil, comparée aux contrôles, ainsi qu'un rebond en sommeil paradoxal plus petit. De façon surprenante, les souris Dicer cKO développent une obésité rapide, sévère et transitoire, associée à de l'hyperphagie et une altération de leur métabolisme énergétique. Après avoir atteint un pic maximal d'obésité, les souris cKO entrent spontanément dans une période de perte de poids rapide. L'analyse du transcriptome cérébral des souris obèses nous a permis d'identifier des voies associées à l'obésité (leptine, somatostatine et nemo-like kinase), et à la prise alimentaire (Pmch, Neurotensin), tandis que celui des souris post-obèses a révélé un groupe de gènes liés à la plasticité synaptique. Au-delà des nombreux modèles d'obésité existant chez la souris, notre étude présente un modèle unique permettant d'étudier les mécanismes sous-jacent la perte de poids. De plus, nous avons mis en évidence un rôle important du cortex cérébral dans le maintien de la balance énergétique. En conclusion, toutes ces observations soutiennent l'idée que les miARNs sont des régulateurs cruciaux dans le maintien des processus homéostatiques et confortent l'hypothèse d'une étroite relation moléculaire entre le sommeil et le métabolisme.

Copy number variation and chromatin structure

The functional consequences of structural variation in the human genome range from adaptation, to phenotypic variation, to predisposition to diseases. Copy number variation (CNV) was shown to influence the phenotype by modifying, in a somewhat dose-dependent manner, the expression of genes that map within them, as well as that of genes located on their flanks. To assess the possible mechanism(s) behind this neighboring effect, we compared histone modification status of cell lines from patients affected by Williams-Beuren, Williams-Beuren region duplication, Smith-Magenis or DiGeorge Syndrome and control individuals using a high-throughput version of chromatin immuno-precipitation method (ChIP), called ChlP-seq. We monitored monomethylation of lysine K20 on histone H4 and trimethylation of lysine K27 on histone H3, as proxies for open and condensed chromatin, respectively. Consistent with the changes in expression levels observed for multiple genes mapping on the entire length of chromosomes affected by structural variants, we also detected regions with modified histone status between samples, up- and downstream from the critical regions, up to the end of the rearranged chromosome. We also gauged the intrachromosomal interactions of these cell lines utilizing chromosome conformation capture (4C-seq) technique. We observed that a set of genes flanking the Williams-Beuren Syndrome critical region (WBSCR) were often looping together, possibly forming an interacting cluster with each other and the WBSCR. Deletion of the WBSCR disrupts the expression of this group of flanking genes, as well as long-range interactions between them and the rearranged interval. We conclude, that large genomic rearrangements can lead to changes in the state of the chromatin spreading far away from the critical region, thus possibly affecting expression globally and as a result modifying the phenotype of the patients. - Les conséquences fonctionnelles des variations structurelles dans le génome humain sont vastes, allant de l'adaptation, en passant par les variations phénotypiques, aux prédispositions à certaines maladies. Il a été démontré que les variations du nombre de copies (CNV) influencent le phénotype en modifiant, d'une manière plus ou moins dose-dépendante, l'expression des gènes se situant à l'intérieur de ces régions, mais également celle des gènes se trouvant dans les régions flanquantes. Afin d'étudier les mécanismes possibles sous-jacents à cet effet de voisinage, nous avons comparé les états de modification des histones dans des lignées cellulaires dérivées de patients atteints du syndrome de Williams-Beuren, de la duplication de la région Williams-Beuren, du syndrome de Smith-Magenis ou du syndrome de Di- George et d'individus contrôles en utilisant une version haut-débit de la méthode d'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP), appelée ChIP-seq. Nous avons suivi la mono-méthylation de la lysine K20 sur l'histone H4 et la tri-méthylation de la lysine K27 sur l'histone H3, marqueurs respectifs de la chromatine ouverte et fermée. En accord avec les changements de niveaux d'expression observés pour de multiples gènes tout le long des chromosomes affectés par les CNVs, nous avons aussi détecté des régions présentant des modifications d'histones entre les échantillons, situées de part et d'autre des régions critiques, jusqu'aux extrémités du chromosome réarrangé. Nous avons aussi évalué les interactions intra-chromosomiques ayant lieu dans ces cellules par l'utilisation de la technique de capture de conformation des chromosomes (4C-seq). Nous avons observé qu'un groupe de gènes flanquants la région critique du syndrome de Williams-Beuren (WBSCR) forment souvent une boucle, constituant un groupe d'interactions privilégiées entre ces gènes et la WBSCR. La délétion de la WBSCR perturbe l'expression de ce groupe de gènes flanquants, mais également les interactions à grande échelle entre eux et la région réarrangée. Nous en concluons que les larges réarrangements génomiques peuvent aboutir à des changements de l'état de la chromatine pouvant s'étendre bien plus loin que la région critique, affectant donc potentiellement l'expression de manière globale et ainsi modifiant le phénotype des patients.

Pathogenesis-related proteins and the jasmonate signaling pathway

Résumé Etant une importante source d'énergie, les plantes sont constamment attaquées par des pathogènes. Ne pouvant se mouvoir, elles ont développé des systèmes de défense sophistiqués afin de lutter contre ces prédateurs. Parmi ces systèmes, les voies de signalisation mettant en jeu des éliciteurs endog8nes tels que les jasmonates permettent d'induire la production de protéines de défense telles que les protéines dites "liées à la pathogénèse". Les gènes codant pour ces protéines appartiennent à des familles multigéniques. Le premier but de cette thèse est d'évaluer le nombre de ces gènes dans le génome d'Arabidopsis thaliana et d'estimer la part de ce système de défense, dépendant de la voie de signalisation des jasmonates. Nous avons défini un cluster de seulement 1S gènes sur 266, "liés à la pathogénèse", exclusivement régulés par les jasmonates. De multiples membres des familles des lectines de type jacaline et des inhibiteurs de trypsines semblent dépendre du jasmonate. Présente dans tous les systèmes immunitaires des eucaryotes, la famille des défensines est une famille très intéressante. Chez Arabidopsis thaliana, 317 protéines similaires aux défensines ont été définies, cependant seulement 15 défensines (PDF) sont bien annotées. Ces 15 défensines sont séparées en deux groupes dont un semble avoir évolué plus récemment. Le second but de cette thèse est d'étudier ce groupe de défensines à l'aide de la bioinformatique et des techniques de biologie moléculaire (gêne rapporteur, PCR en temps réel). Nous avons montré que ce groupe contenait une défensine acide intéressante, PDF1.5, qui semblait avoir subi une sélection positive. Cette protéine n'avait encore jamais été étudiée. Contrairement à ce que nous pensions, nous avons établi que cette protéine pouvait avoir une activité biologique liée à la défense. Ce travail de thèse a permis de préciser le nombre de gènes "liées à la pathogénèse" induits par la voie des jasmonates et d'apporter des éléments de réponse sur la question de la redondance des gènes de défense. En conclusion, même si de nombreuses familles de gènes intervenant dans la défense sont bien définies chez Arabidopsis, il reste encore de nombreuses études à faire sur chacun de ces membres. Abstract Being an important source of energy, plants are constantly attacked by herbivores and pathogens. As sessile organisms, they have developed sophisticated defense responses to cope with attack. Among these responses, signalling pathways, using endogenous elicitors including jasmonates (JA), allow the plant to induce the production of defense proteins such as pathogenesis-related (PR) proteins. The genes encoding these proteins belong to multigenic families. The first goal of this thesis was to evaluate the number of PR genes in the genome of Arabidopsis thaliana and estimate how much of this plant defense system was dependent on the jasmonate signaling pathway in leaves. Surprisingly a cluster of only 1S genes out of 2ó6 PR genes was exclusively regulated by JA. Multiple members of the jacalin lectin and trypsin inhibitor gene families were shown to be regulated by JA. Present in all eukaryotic immune systems, defensins are an attractive PR family to study. In Arabidopsis thaliana, 317 defensin-related proteins have been found but just 1S defensins (i.e. PDF family) are well annotated. These defensins are split into 2 groups. One of these groups may have appeared and diversified recently. The second goal of this thesis was to study this defensin gene group combining bioinformatic, reporter gene and quantitative PCR techniques. We have shown that this group contains an interesting acidic defensin, PDF1.S, which seems to have undergone positive selection. No information was known on this protein. We have established that this protein may have a biological activity in plant defense. This thesis allowed us to define the number of PR genes induced by the jasmonate pathway and gave initial leads to explain the redundancy of the PR genes in the genome of Arabidopsis. In conclusion, even if many defense gene families are already defined in the Arabidopsis genome, much work remains to be done on individual members.

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

Identificació de paisatges funcionals mitjançant anàlisi cluster

El terme paisatge i les seves aplicacions són cada dia més utilitzats per les administracions i altres entitats com a eina de gestió del territori. Aprofitant la gran quantitat de dades en bases compatibles amb SIG (Sistemes d’Informació Geogràfica) existents a Catalunya s’ha desenvolupat una síntesi cartogràfica on s’identifiquen els Paisatges Funcionals (PF) de Catalunya, concepte que fa referència al comportament fisico-ecològic del terreny a partir de variables topogràfiques i climàtiques convenientment transformades i agregades. S’ha utilitzat un mètode semiautomàtic i iteratiu de classificació no supervisada (clustering) que permet la creació d’una llegenda jeràrquica o nivells de generalització. S’ha obtingut com a resultat el Mapa de Paisatges Funcionals de Catalunya (MPFC) amb una llegenda de 26 categories de paisatges i 5 nivells de generalització amb una resolució espacial de 180 m. Paral·lelament, s’han realitzat validacions indirectes sobre el mapa obtingut a partir dels coneixements naturalistes i la cartografia existent, així com també d’un mapa d’incertesa (aplicant lògica difusa) que aporten informació de la fiabilitat de la classificació realitzada. Els Paisatges Funcionals obtinguts permeten relacionar zones de condicions topo-climàtiques homogènies i dividir el territori en zones caracteritzades ambientalment i no políticament amb la intenció que sigui d’utilitat a l’hora de millorar la gestió dels recursos naturals i la planificació d’actuacions humanes.

(Recueil de décrets... pour l'organisation... des départements de Gênes, des Apennins, et de Montenotte...)

[Acte]

Comparaison des coûts du diagnostic moléculaire des rétinites pigmentaires entre le séquençage selon Sanger et un séquençage à haut débit

La rétinite pigmentaire (RP) et l'amaurose congénitale de Leber (LCA) sont deux maladies héréditaires classées dans le groupe des rétinopathies pigmentaires. Plus de 100 gènes ou loci ont étés identifiés dans les RP (comptant pour 60% des patients) et 14 gènes pour les LCA (responsables de 70% des cas). A elles-deux et en ne prenant que les plus fréquentes, ces maladies représentent 948 exons à analyser lorsqu'on recherche une mutation chez un patient. La recherche de mutations au moyen du séquençage génomique classique (séquençage selon Sanger) de tous les gènes de ces deux maladies implique des délais d'analyse importants et des coûts très élevés. La méthode de séquençage à haut débit (avec le séquenceur Roche GS Junior) permet grâce à une puce à ADN le séquençage simultané des 948 exons. Le but de mon travail de Master est de comparer ces deux approches afin de déterminer celle qui est la plus économique et la plus efficiente en temps. Pour cela, j'ai d'abord établi la liste de tous les gènes impliqués dans les RP et LCA, puis identifié tous les exons ainsi que les promoteurs et séquences 3' non traduites. J'ai ensuite calculé le coût théorique d'une analyse de tous les gènes avec chacune des méthodes. J'ai également estimé les coûts à facturer à l'assurance concernant le séquençage à haut débit sur la base des coûts facturables à l'assurance de la méthode Sanger et des bénéfices du laboratoire. Le séquençage des 948 exons par le séquençage à haut débit (avec le GS Junior) représente la technique de séquençage la plus économique et la plus efficiente en temps et constitue donc la méthode de choix dans le screening diagnostic des gènes impliqués dans les RP et LCA. Cette méthode est plus rapide, les réactifs et la machine sont moins coûteux et la laborantine peut analyser un nombre plus important d'exons en un temps moindre, donc elle coûtera moins cher au laboratoire. Cette méthode est donc d'un grand intérêt pour les patients, les assurances et le laboratoire. Cette nouvelle technique de séquençage soulève de nouvelles interrogations telles que la décision de savoir quelle information doit être donnée aux médecins, aux assurances et aux patients. Interrogations auxquelles il devient de plus en plus pressant de répondre.

Utilisation de tissus de cancer de vessie archivés en paraffine pour l'analyse de l'expression de gènes immunorégulateurs

Introduction : Le cancer de la vessie est la 4ème cause de cancer en Europe, chez l'homme. Dans 70% des¦cas, le diagnostic initial de cancer transitionnel de la vessie est non-musculo invasif mais jusqu'à 45%¦progresseront en tumeur musculo-invasive selon des facteurs de risques qui ont été scorés par¦l'Organisation européenne de recherche sur le traitement du cancer (EORTC). Après résection¦endoscopique transuréthrale vésicale (RTUV) de la tumeur, une instillation intravésicale (ives) d'agents¦chimiothérapeutiques ou d'immunomodulateurs tel que le Bacille Calmette Guérin (BCG) permet de¦réduire les récurrences/progressions. Cependant l'utilisation du BCG est limitée aux patients avec un risque¦de progression haut et intermédiaire au vu des effets secondaires occasionnés. Le système immunitaire¦joue un rôle certain dans l'évolution d'un processus néoplasique. Toutefois, les cancers adoptent différents¦mécanismes pour supprimer la réponse antitumorale. La variation de l'environnement immunologique¦tumoral pourrait avoir une valeur pronostique pour l'évolution naturelle de la maladie. Le but de notre¦étude est d'utiliser des coupes paraffines archivées de RTUV afin de définir l'environnement immunitaire¦des carcinomes urothéliaux non musculo-invasifs, en particulier les caractéristiques immunosuppressives,¦comme prédictif d'un comportement de progression néoplasique.¦Méthodologie : L'exploration d'une base de données de patients suivis pour le cancer de la vessie au¦CHUV afin de faire un choix des coupes de RTUV à examiner a été réalisée. Une approche transversale a été¦abordée en regroupant des patients de stades tumoraux différents ou en évaluant des foyers tumoraux¦multiples au sein de la vessie d'un même patient à un moment donné (i.e lors d'une même RTUV). Une¦approche longitudinale a également été adoptée avec comme objectif de comparer, chez le même patient,¦des tumeurs de stades, de grades et de score de risque de progression de l'EORTC différents au cours du¦temps. L'ARN des tissus de RTUV fixés au formol et enrobés en paraffine a été extrait et purifié. Un kit¦d'amplification en temps réel par réaction en chaîne par polymérase (RCP) pour 84 gènes impliqués dans¦l'anergie des cellules T et la tolérance immunitaire a été utilisé.¦Résultat : Nous avons réuni les informations cliniques de 157 sujets atteints de tumeur vésicale non¦musculo-invasive. 35% des sujets ont reçu une chimiothérapie ives et 40 % ont reçu du BCG ives. Les troisquarts¦de ces derniers ont reçu un cycle de BCG complet (6 semaines). Néanmoins, 38 % d'entre eux vont¦tout de même subir une progression de leur cancer. Les scores de progression de l'EORTC ont pu être¦calculés pour 94 sujets (39% haut risque, 42 % risque intermédiaire et 19% bas risque). 76% des patients à¦haut risque a été traité avec du BCG ives. Parmi les patients avec un risque intermédiaire de progression,¦seuls 15 % ont effectivement progressé incluant 2 patients avec des échantillons de RTUV disponibles pour¦analyse. L'analyse par RCP s'est focalisée sur une approche longitudinale incluant 6 patients suivis sur une¦longue période avec de multiples RTUV. 29 échantillons ont été sélectionnés, leur ARN purifiés, mais seuls¦16 ARN se sont révélés en quantité et qualité suffisante pour être analysé par RCP. L'analyse par RCP¦quantitative en temps réel a montré des problèmes dans la quantification de l'ADN génomique, ainsi que¦des gènes domestiques. Ceci a grandement handicapé nos analyses et n'a pas permis la mise en évidence¦convaincante de gènes immuno-modulateurs associés à la progression du cancer de la vessie.¦Discussion : Notre analyse du suivi des patients au CHUV montre que les chirurgiens façonnent leur prise¦en charge durant l'intervention selon des critères adaptés à la situation et tendent ainsi à une stratification¦des risques permettant un traitement adapté, de la même manière que le permet le score de l'EORTC, en¦tous cas en ce qui concerne les patients à haut risque de progression. Les nombreux facteurs impliqués¦dans le cancer de la vessie montrent néanmoins qu'il y aurait des avantages à rationaliser la prise en charge. L'archivage de tissus fixé au formol et enrobé en paraffine a l'avantage de représenter une source¦de matériel considérable et de grande valeur pour la recherche. Néanmoins, malgré l'évolution des¦techniques et la publicité des fabricants, il s'est avéré difficile d'exploiter ce matériel délicat pour en¦obtenir des résultats convaincants.

Gene expression profiling of human glioblastomas for the identification of predictive factors and characterisation of molecular mechanism implicated in response to therapy and outcome

ABSTRACT Poor outcome for glioblastoma patients is largely due to resistance to chemoradiation therapy. While epigenetic inactivation of MGMT mediated DNA repair is highly predictive for benefit from the alkylating agent therapy Temozolomide, additional mechanisms for resistance associated with molecular alterations exist. Furthermore, new concepts in cancer suggest that resistance to treatment may be linked to cancer stem cells that escape therapy and act as source for tumour recurrence. We determined gene expression signatures associated with outcome in glioblastoma patients enrolled in a phase II and phase III clinical trial establishing the new combination therapy of radiation plus concomitant and adjuvant Temozolomide. Correlating stable gene clusters emerging from unsupervised analysis with survival of 42 treated patients identified a number of biological processes associated with outcome. Most prominent, a gene cluster dominated by HOX genes and comprising PROM1, was associated with resistance. PROM1 encodes CD133, a marker for a subpopulation of tumour cells enriched for glioblastoma stem- like cells. The core of this correlated HOX cluster was comprised in the top genes of a "self-renewal signature" defined in a mouse model for MLL-AF9 initiated leukaemia. The association of the HOX gene cluster with tumour resistance was confirmed in two external data sets of 146 malignant glioma As additional resistance factors we identified over-expression of the epidermal growth factor receptor gene, EGFR, while increased gene expression related to biological features of tumour host interaction, including markers for tumour vascular and cell adhesion, and innate immune response, were associated with better outcome. The "self-renewal" signature associated with resistance to the new combination chemoradiation therapy provides first clinical evidence that glioma stem like cells may implicated in resistance in a uniformly treated cohort of glioblastoma patients. This study underlines the need to target the tumour stem cell compartment, and provides some testable hypothesis for biological mechanisms relevant for malignant behaviour of glioblastoma that may be targeted in new treatment approaches. Résumé Le glioblastome, tumeur cérébrale primaire maligne la plus fréquente, est connue pour son mauvais pronostique. Des avancées chimiothérapeutiques récentes avec des agents alkylants comme le témozolomide (TMZ), ont permis une amélioration notable dans la survie de certains patients. Les bénéficiaires ont la caractéristique commune de présenter une particularité génétique, la methylation du MGMT (methylguanine methyltransferase). Néanmoins, d'autres mécanismes de résistance en fonction des aberrations moléculaires existent. Nous avons établi les profils d'expressions génétiques des patients traités par irradiation et TMZ dans des études cliniques de phase II et III. En combinant des méthodes non-supervisées et supervisées, de l'étude de la cohorte des patients traités nous avons découvert des groupes de gènes associés à la survie. Un ensemble de gènes contenant les gènes Hox semble lié au mécanisme de résistance au traitement. Récemment, les gènes Hox ont été décrits comme faisant partie d"une signature d'autorenouvellement (self-renewal) des cellules souches cancéreuses de la leucémie. L'autorenouvellement est un processus grâce auquel les cellules souches se maintiennent tout au long de la vie. Cette association à la résistance est confirmée dans deux autres études indépendantes. Un autre facteur de résistance au traitement est la surexpression du gène EGFR. D'autre part, deux groupes de gènes associés à la relation entre hôte-tumeur tels que les marqueurs des vaisseaux tumoraux et de la réponse immunitaire innée s'avèrent avoir un effet positif sur la survie des patients traités. La découverte de la signature d'autorenouvellement comme facteur de résistance à la nouvelle chimio-radiothérapie offre une preuve clinique que les cellules souches cancéreuses sont impliquées dans la résistance au traitement. If est donc logique de penser que le traitement ciblé contre des cellules souches cancéreuses va dans l'avenir permettre des thérapies anticancéreuses plus performantes.