Physiological researches upon life and death

Translation of Recherches physiologiques sur la vie et la mort.

Stress oxydatif cérébrovasculaire et rupture de la barrière hémato-encéphalique dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff expérimental

Le syndrome de Wernicke-Korsakoff (SWK) est un désordre neuropsychiatrique causé par la déficience en thiamine (DT). Dans la DT expérimentale comme dans le SWK, on observe une mort neuronale et des hémorragies dans certaines régions précises du diencéphale et du tronc cérébral. Les lésions diencéphaliques du SWK sont particulièrement sévères et entraînent souvent des séquelles amnésiques permanentes. Le lien entre la dysfonction métabolique induite par la DT et la mort neuronale n’est pas connu. Des rapports précédents ont démontré que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était altérée et ce, précédant l’apparition du dommage neuronal, suggérant un rôle critique de la dysfonction vasculaire. Les jonctions serrées (JS) interendothéliales, la base anatomique de la BHE, constituent un réseau moléculaire incluant l’occludin et les zonula occludens (ZOs). Cette thèse démontre une perte d’expression et une altération de la morphologie de ces protéines en relation avec la dysfonction de la BHE dans le thalamus de souris déficientes en thiamine, fournissant une explication pour la présence d’hémorragies. Le stress oxydatif peut entraîner des dommages directs aux protéines des JS et interférer avec leurs mécanismes de régulation. De plus, l’oxyde nitrique (NO) peut induire la métalloprotéinase matricielle-9 (MMP-9) impliquée dans la dégradation de ces protéines. L’endothélium vasculaire cérébral (EVC) semble être une source importante de NO dans la DT, l’expression de l’oxyde nitrique synthase endothéliale (eNOS) étant sélectivement induite dans les régions vulnérables. Le NO peut réagir avec les espèces réactives oxygénées et former du peroxynitrite, entraînant un stress oxydatif/nitrosatif endothélial. Les résultats présentés démontrent que la délétion du gène de eNOS prévient le stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, l’extravasation des immunoglobulins G (IgGs) et l’altération de l’occludin et des ZOs dans le thalamus de souris déficientes en thiamine. De plus, cette délétion prévient l’induction de l’expression de MMP-9 dans l’EVC. Des résultats similaires ont été obtenus avec l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Les mécanismes précis par lesquels les espèces réactives altèrent les protéines des JS sont inconnus. Caveolin-1, une composante majeure du caveolæ de l’EVC, est impliquée dans la régulation de l’expression des protéines des JS, et celle-ci est modulée par le stress oxydatif/nitrosatif; l’altération de l’expression de caveolin-1 a été récemment associée à la rupture de la BHE. Les résultats présentés démontrent que l’expression de caveolin-1 est sélectivement altérée dans l’EVC du thalamus de souris déficientes en thiamine, coïcidant avec la rupture de la BHE, et démontrent que la normalisation de l’expression de caveolin-1 par le NAC est associée avec l’atténuation du dommage à la BHE. Pris ensemble, ces résultats démontrent un rôle central du stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, particulièrement celui provenant de eNOS, dans l’altération des JS de la BHE via des dommages directs et via l’induction de MMP-9 et de caveolin-1. Cette rupture de la BHE contribue par conséquent à la mort neuronale dans le thalamus, puisque la prévention des altérations cérébrovasculaires par la délétion du gène de eNOS et le NAC atténue significativement la mort neuronale. L’administration précoce d’antioxydants en combinaison avec la thiamine devrait donc être une considération importante pour le traitement du SWK.

Implication de l'association CD20/CD40 dans la mort cellulaire induite via le CD20

CD20 est une phosphoprotéine transmembranaire exprimée spécifiquement à la surface des lymphocytes B. Malgré les nombreuses études qui ont montré son implication dans le flux calcique, son rôle physiologique est assez mal connu. Cependant, des études récentes ont démontré que CD20 peut jouer un rôle important dans la mort cellulaire. D’ailleurs, le rituximab, un anticorps monoclonal chimérique dirigé contre CD20 humain, a montré son efficacité dans le traitement de nombreuses maladies auto-immunes. Cet anticorps est capable d’induire une profonde déplétion des lymphocytes B, qui va également interférer avec la coopération T et la sécrétion de cytokines. En plus, l’engagement du CD20 à la surface des cellules induit la mort cellulaire, alors que la partie cytoplasmique de cette molécule ne possède pas un motif de mort. Donc, il est possible que cette réponse soit médiée par des molécules qui semblent être associées au CD20 comme CD40. En effet, CD40, une glycoprotéine transmembranaire de type I, est un composant majeur du système immunitaire, dont l’engagement pourrait moduler la fonction cellulaire et même conduire à la mort rapide des cellules B. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l’étude de la mort cellulaire induite par un anti-CD20, le rituximab, ainsi que l’étude du rôle de l’association CD20/CD40 dans la mort cellulaire médiée par cet anticorps. Nos résultats montrent que la mort cellulaire induite par le rituximab varie en fonction du type cellulaire et du niveau d’expression du CD20, et que la présence du CD40 à la surface des cellules augmente l’activité de la mort cellulaire induite par le rituximab. En plus, CD20 et CD40 sont associés à la surface cellulaire, et la partie cytoplasmique n’est pas impliquée dans cette association mais semble être importante dans la mort cellulaire induite via CD20.

Regulation of excitotoxicity in thiamine deficiency : role of glutamate transporters.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT.

Culture-area relation in Axelrod`s model for culture dissemination

Axelrod`s model for culture dissemination offers a nontrivial answer to the question of why there is cultural diversity given that people`s beliefs have a tendency to become more similar to each other`s as they interact repeatedly. The answer depends on the two control parameters of the model, namely, the number F of cultural features that characterize each agent, and the number q of traits that each feature can take on, as well as on the size A of the territory or, equivalently, on the number of interacting agents. Here, we investigate the dependence of the number C of distinct coexisting cultures on the area A in Axelrod`s model, the culture-area relationship, through extensive Monte Carlo simulations. We find a non-monotonous culture-area relation, for which the number of cultures decreases when the area grows beyond a certain size, provided that q is smaller than a threshold value q (c) = q (c) (F) and F a parts per thousand yen 3. In the limit of infinite area, this threshold value signals the onset of a discontinuous transition between a globalized regime marked by a uniform culture (C = 1), and a completely polarized regime where all C = q (F) possible cultures coexist. Otherwise, the culture-area relation exhibits the typical behavior of the species-area relation, i.e., a monotonically increasing curve the slope of which is steep at first and steadily levels off at some maximum diversity value.

Recherches physiologiques sur la vie et la mort /

Mode of access: Internet.

Levels and trends of mortality in Indonesia, 1961 to 1971 /

Mode of access: Internet.

Plant programmed cell death : Can't live with it; Can't live without it

The decision of whether a cell should live or die is fundamental for the wellbeing of all organisms. Despite intense investigation into cell growth and proliferation, only recently has the essential and equally important idea that cells control/programme their own demise for proper maintenance of cellular homeostasis gained recognition. Furthermore, even though research into programmed cell death (PCD) has been an extremely active area of research there are significant gaps in our understanding of the process in plants. In this review, we discuss PCD during plant development and pathogenesis, and compare/contrast this with mammalian apoptosis. © 2008 Blackwell Publishing Ltd.

Distinguishing between mean-field, moment dynamics and stochastic descriptions of birth-death-movement processes

Mathematical descriptions of birth–death–movement processes are often calibrated to measurements from cell biology experiments to quantify tissue growth rates. Here we describe and analyze a discrete model of a birth–death-movement process applied to a typical two–dimensional cell biology experiment. We present three different descriptions of the system: (i) a standard mean–field description which neglects correlation effects and clustering; (ii) a moment dynamics description which approximately incorporates correlation and clustering effects, and; (iii) averaged data from repeated discrete simulations which directly incorporates correlation and clustering effects. Comparing these three descriptions indicates that the mean–field and moment dynamics approaches are valid only for certain parameter regimes, and that both these descriptions fail to make accurate predictions of the system for sufficiently fast birth and death rates where the effects of spatial correlations and clustering are sufficiently strong. Without any method to distinguish between the parameter regimes where these three descriptions are valid, it is possible that either the mean–field or moment dynamics model could be calibrated to experimental data under inappropriate conditions, leading to errors in parameter estimation. In this work we demonstrate that a simple measurement of agent clustering and correlation, based on coordination number data, provides an indirect measure of agent correlation and clustering effects, and can therefore be used to make a distinction between the validity of the different descriptions of the birth–death–movement process.

When supply does not meet demand-ER stress and plant programmed cell death

The endoplasmic reticulum (ER) is the central organelle in the eukaryotic secretory pathway. The ER functions in protein synthesis and maturation and is crucial for proper maintenance of cellular homeostasis and adaptation to adverse environments. Acting as a cellular sentinel, the ER is exquisitely sensitive to changing environments principally via the ER quality control machinery. When perturbed, ER-stress triggers a tightly regulated and highly conserved, signal transduction pathway known as the unfolded protein response (UPR) that prevents the dangerous accumulation of unfolded/misfolded proteins. In situations where excessive UPR activity surpasses threshold levels, cells deteriorate and eventually trigger programmed cell death (PCD) as a way for the organism to cope with dysfunctional or toxic signals. The programmed cell death that results from excessive ER stress in mammalian systems contributes to several important diseases including hypoxia, neurodegeneration, and diabetes. Importantly, hallmark features and markers of cell death that are associated with ER stress in mammals are also found in plants. In particular, there is a common, conserved set of chaperones that modulate ER cell death signaling. Here we review the elements of plant cell death responses to ER stress and note that an increasing number of plant-pathogen interactions are being identified in which the host ER is targeted by plant pathogens to establish compatibility.

Failure of amino acid homeostasis causes cell death following proteasome inhibition

The ubiquitin-proteasome system targets many cellular proteins for degradation and thereby controls most cellular processes. Although it is well established that proteasome inhibition is lethal, the underlying mechanism is unknown. Here, we show that proteasome inhibition results in a lethal amino acid shortage. In yeast, mammalian cells, and flies, the deleterious consequences of proteasome inhibition are rescued by amino acid supplementation. In all three systems, this rescuing effect occurs without noticeable changes in the levels of proteasome substrates. In mammalian cells, the amino acid scarcity resulting from proteasome inhibition is the signal that causes induction of both the integrated stress response and autophagy, in an unsuccessful attempt to replenish the pool of intracellular amino acids. These results reveal that cells can tolerate protein waste, but not the amino acid scarcity resulting from proteasome inhibition.

Development of salinity tolerance in rice by constitutive-overexpression of genes involved in the regulation of programmed cell death

Environmental factors contribute to over 70% of crop yield losses worldwide. Of these drought and salinity are the most significant causes of crop yield reduction. Rice is an important staple crop that feeds more than half of the world’s population. However among the agronomically important cereals rice is the most sensitive to salinity. In the present study we show that exogenous expression of anti-apoptotic genes from diverse origins, AtBAG4 (Arabidopsis), Hsp70 (Citrus tristeza virus) and p35 (Baculovirus), significantly improves salinity tolerance in rice at the whole plant level. Physiological, biochemical and agronomical analyses of transgenic rice expressing each of the anti-apoptotic genes subjected to salinity treatment demonstrated traits associated with tolerant varieties including, improved photosynthesis, membrane integrity, ion and ROS maintenance systems, growth rate, and yield components. Moreover, FTIR analysis showed that the chemical composition of salinity-treated transgenic plants is reminiscent of non-treated, unstressed controls. In contrast, wild type and vector control plants displayed hallmark features of stress, including pectin degradation upon subjection to salinity treatment. Interestingly, despite their diverse origins, transgenic plants expressing the anti-apoptotic genes assessed in this study displayed similar physiological and biochemical characteristics during salinity treatment thus providing further evidence that cell death pathways are conserved across broad evolutionary kingdoms. Our results reveal that anti-apoptotic genes facilitate maintenance of metabolic activity at the whole plant level to create favorable conditions for cellular survival. It is these conditions that are crucial and conducive to the plants ability to tolerate/adapt to extreme environments.

Stimulating immune responses to fight cancer: Basic biology and mechanisms

Chronic inflammation is now recognized as a major cause of malignant disease. In concert with various mechanisms (including DNA instability), hypoxia and activation of inflammatory bioactive lipid pathways and pro-inflammatory cytokines open the doorway to malignant transformation and proliferation, angiogenesis, and metastasis in many cancers. A balance between stimulatory and inhibitory signals regulates the immune response to cancer. These include inhibitory checkpoints that modulate the extent and duration of the immune response and may be activated by tumor cells. This contributes to immune resistance, especially against tumor antigen-specific T-cells. Targeting these checkpoints is an evolving approach to cancer immunotherapy, designed to foster an immune response. The current focus of these trials is on the programmed cell death protein 1 (PD-1) receptor and its ligands (PD-L1, PD-L2) and cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4). Researchers have developed anti-PD-1 and anti-PDL-1 antibodies that interfere with the ligands and receptor and allow the tumor cell to be recognized and attacked by tumor-infiltrating T-cells. These are currently being studied in lung cancer. Likewise, CTLA-4 inhibitors, which have had success treating advanced melanoma, are being studied in lung cancer with encouraging results.

Signaling different pathways of cell death: Abrin induced programmed necrosis in U266B1 cells

Abrin is a type II ribosome-inactivating protein comprising of two subunits, A and B. Of the two, the A-subunit harbours the RNA-N-glycosidase activity and the B subunit is a galactose specific lectin that enables the entry of the protein inside the cell. Abrin inhibits protein synthesis and has been reported to induce apoptosis in several cell types. Based on these observations abrin is considered to have potential for the construction of immunotoxin in cell targeted therapy. Preliminary data from our laboratory however showed that although abrin inhibited the protein synthesis in all cell types, the mode of cell death varied. The aim of the present study was therefore to understand different death pathways induced by abrin in different cells. We used the human B cell line, U266B1 and compared it with the earlier studied T cell line Jurkat, for abrin-mediated inhibition of protein translation as well as cell death. While abrin triggered programmed apoptosis in Jurkat cells in a caspase-dependent manner, it induced programmed necrosis in U266B1 cells in a caspase-independent manner, even when there was reactive oxygen species production and loss of mitochondrial membrane potential. The data revealed that abrin-mediated necrosis involves lysosomal membrane permeabilization and release of cathepsins from the lysosomes. Importantly, the choice of abrin-mediated death pathway in the cells appears to depend on which of the two events occurs first: lysosomal membrane permeabilization or loss of mitochondrial membrane potential that decides cell death by necrosis or apoptosis. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.