La régulation de l’hepcidine à travers les récepteurs Toll-like dans les macrophages

L'interaction entre le système immunitaire et le métabolisme du fer est bien illustrée par l'anémie des maladies chroniques (ACD), qui est fréquemment rencontrée dans les infections chroniques, l'inflammation et le cancer. La majorité des modifications dans les paramètres du fer observées dans l’ACD tient compte des modifications de l’homéostasie du fer, avec la délocalisation du métal de la circulation et les sites de l'érythropoïèse au compartiment de stockage dans les macrophages. Les mécanismes de la réponse hyposidérémique impliquent des cytokines, notamment TNF-alpha et IL-6, qui régulent les niveaux de plusieurs gènes du métabolisme du fer, y compris les transporteurs de fer et de l'hepcidine, un régulateur négatif de l’absorption du fer, ce qui entraîne l'inhibition de l'exportation du fer à travers la ferroportine 1 (FPN1) au niveau de l'intestin et les macrophages. Des études antérieures ont montré que l'IL-6 induit l’expression d’hepcidine dans les hépatocytes, mais il y a très peu de données concernant la façon par laquelle l'hepcidine et la FPN1 sont régulées dans les macrophages. Récemment, nous avons constaté que l'induction de l'hepcidine dans le foie par le lipopolysaccharide (LPS) dépend de la voie de signalisation médiée par le récepteur Toll-like 4 (TLR4). Le but de ce travail est d’identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages et de déterminer l’exigence des TLRs dans l’induction de l’hepcidine et le développement d’hyposidérémie. En plus, nous voulons étudier l’effet de l’inflammation causée par les ligands des TLRs sur le taux de fer sérique, la production des cytokines et l'expression de l’hepcidine et de la ferroportine. D’autre part nous voulons étudier l’effet du taux du fer sur la production d’IL-6 macrophagique en réponse à la stimulation par le TLR4. D'abord, pour identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages, nous avons traité les macrophages RAW 264.7 et les macrophages péritonéaux de souris (MPMs) avec différents ligands TLRs et on a mesuré l’expression de l'hepcidine par qRT-PCR. Nous avons observé que Pam3CSK4 (Pam), un ligand de TLR2/1; LPS, un ligand de TLR-4 et FSL1 un ligand de TLR2/6 induisent l’expression de l'hepcidine dans les cellules RAW 264.7 et les MPMs, contrairement au polyinosinic: polycytidylic acid (Poly I: C), un ligand de TLR3. De plus, LPS était capable de réprimer l’expression de la ferroportine dans les cellules RAW 264.7. Afin de mieux définir la nécessité des TLRs pour assurer cette expression, nous avons utilisé les souris TLR-2 knock-out et on a établi que l'expression de l'hepcidine dans les macrophages par LPS, Pam ou FSL1 est dépendante du TLR2. En accord avec les expériences in vitro, les études effectuées in vivo ont montré que LPS réprime l’expression de la ferroportine, ainsi que PolyI:C n’est pas capable de stimuler l'expression d'hepcidine hépatique, par contre il était efficace pour déclencher une hyposidérémie. Ensuite, on voulait déterminer la voie de signalisation utilisée dans l’induction de l’hepcidine dans les macrophages. Comme il y deux voies majeures connues pour la signalisation des TLRs : une dépendante et l’autre indépendante de la protéine MyD88, on a étudié l’expression de l’hepcidine dans les MPMs isolés des souris MyD88-/- et nous avons constaté que l'absence de signalisation MyD88 abolit l'induction de l'hepcidine déclenchée par Pam, LPS et FSL1. D’autre part, la stimulation avec du LPS induisait in vivo la production d’IL-6 et de TNF-alpha, et la stimulation d’IL-6 était renforcée in vitro par la présence du fer. Ces observations indiquent que l’expression de HAMP (Hepcidin Antimicrobial Peptide) dans les macrophages peut être régulée par différents TLRs, ce qui suggère que la production d'hepcidine macrophagique fait partie d'une réponse immunitaire activées par les TLRs.

Régulation de l'activité transcriptionnelle de PPARgamma via l'activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a : potentiel anti-athérosclérotique

Les sécrétines peptidiques de l’hormone de croissance (GHRPs) constituent une classe de peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance (GH). Cette activité est médiée par leur liaison à un récepteur couplé aux protéines G : le récepteur des sécrétines de l’hormone de croissance (GHS-R1a), identifié subséquemment comme le récepteur de la ghréline. La ghréline est un peptide de 28 acides aminés sécrété principalement par les cellules de la muqueuse de l’estomac, qui exerce de nombreux effets périphériques indépendamment de la sécrétion de l’hormone de croissance. Les effets indépendants de la sécrétion de GH incluent, entre autres, des actions sur le contrôle de la prise de nourriture, le métabolisme énergétique, la fonction cardiaque, le système immunitaire et la prolifération cellulaire. L’étude de la distribution périphérique des sites de liaison des GHRPs nous a permis d’identifier un second site, le CD36, un récepteur scavenger exprimé dans plusieurs tissus dont le myocarde, l’endothélium de la microvasculature et les monocytes/macrophages. Le CD36 exprimé à la surface du macrophage joue un rôle clé dans l’initiation du développement de l’athérosclérose par la liaison et l’internalisation des lipoprotéines de faible densité oxydées (LDLox) dans l’espace sous-endothélial de l’artère. L’hexaréline, un analogue GHRP, a été développé comme agent thérapeutique pour stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse. Sa propriété de liaison aux récepteurs GHS-R1a et CD36 situés en périphérie et particulièrement sa capacité d’interférer avec la liaison des LDLox par le CD36 nous ont incité à évaluer la capacité de l’hexaréline à moduler le métabolisme lipidique du macrophage. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer les effets de l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a, par l’hexaréline et la ghréline, le ligand endogène du GHS-R1a, sur la physiologie du macrophage et de déterminer son potentiel anti-athérosclérotique. Les résultats montrent premièrement que l’hexaréline et la ghréline augmentent l’expression des transporteurs ABCA1 et ABCG1, impliqués dans le transport inverse du cholestérol, via un mécanisme contrôlé par le récepteur nucléaire PPARγ. La régulation de l’activité transcriptionnelle de PPARγ par l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a se fait indépendamment de la présence du domaine de liaison du ligand (LBD) de PPARγ et est conséquente de changements dans l’état de phosphorylation de PPARγ. Une étude plus approfondie de la signalisation résultant de la liaison de la ghréline sur le GHS-R1a révèle que PPARγ est activé par un mécanisme de concertation entre les voies de signalisation Gαq/PI3-K/Akt et Fyn/Dok-1/ERK au niveau du macrophage. Le rôle de PPARγ dans la régulation du métabolisme lipidique par l’hexaréline a été démontré par l’utilisation de macrophages de souris hétérozygotes pour le gène de Ppar gamma, qui présentent une forte diminution de l’activation des gènes de la cascade métabolique PPARγ-LXRα-transporteurs ABC en réponse à l’hexaréline. L’injection quotidienne d’hexaréline à un modèle de souris prédisposées au développement de l’athérosclérose, les souris déficientes en apoE sous une diète riche en cholestérol et en lipides, se traduit également en une diminution significative de la présence de lésions athérosclérotiques correspondant à une augmentation de l’expression des gènes cibles de PPARγ et LXRα dans les macrophages péritonéaux provenant des animaux traités à l’hexaréline. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse identifie certains nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de PPARγ et du métabolisme du cholestérol dans le macrophage via les récepteurs CD36 et GHS-R1a. Ils pourraient servir de cibles thérapeutiques dans une perspective de traitement des maladies cardiovasculaires.

Rôle des récepteurs Toll-like et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la régulation de l’hepcidine et le développement des hyposidérémies associées à l’inflammation

Le fer est un oligo-élément nécessaire pour le fonctionnement normal de toutes les cellules de l'organisme et joue un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions biologiques. Cependant, le niveau de fer dans le corps doit être bien réglé, sinon la carence en fer entraine des divers états pathologiques tels que l'anémie et la diminution de l’immunité. D'autre part, une surcharge en fer potentialise la multiplication des germes, aggrave l’infection et la formation de radicaux libres ayant des effets toxiques sur les cellules et leurs composants, ce qui favorise les maladies cardio-vasculaires, l'inflammation et le cancer. L'hepcidine (HAMP), un régulateur négatif de l'absorption du fer, induit la dégradation de la ferroportine (FPN), le seul exportateur connu de fer ce qui réduit sa libération par les macrophages et inhibe son absorption gastro-intestinale. HAMP est synthétisé principalement par les hépatocytes, mais aussi par les macrophages. Cependant, il y a très peu de données sur la façon dont HAMP est régulé au niveau des macrophages. Plus récemment, nous avons constaté que l’induction de l’hepcidin dans le foie par le polysaccharide (LPS) est dépendante de la voie de signalisation médiée par « Toll-like receptor 4 » (TLR4). Grâce au TLR4, le LPS induit l'activation des macrophages qui sécrètent de nombreuses différentes cytokines inflammatoires, y compris Interleukine 6 (IL-6), responsable de l'expression de HAMP hépatique. Dans le premier chapitre de la présente étude, nous avons étudié la régulation de HAMP dans la lignée cellulaire macrophagique RAW264.7 et dans les macrophages péritonéaux murins stimulés par différents ligands des TLRs. Nous avons constaté que TLR2 et TLR4 par l'intermédiaire de la protéine adaptatrice « myeloid differentiation primary response gene 88 » (MyD88) activent l'expression de HAMP dans les cellules RAW264.7 et les macrophages péritonéaux sauvages murins, tandis que cette expression a été supprimée dans les macrophages isolés des souris TLR2-/-, TLR4-déficiente ou MyD88-/-. En outre, nous avons constaté que la production d'IL-6 par les cellules RAW264.7 stimulées avec du LPS a été renforcée par l’ajout des quantités élevées de fer dans le milieu de culture. Au cours de l’inflammation, le niveau de HAMP est fortement augmenté. Ainsi, lorsque l'inflammation persiste, l’expression de HAMP continue à être activée par des cytokines pro-inflammatoires conduisant à une hyposidérémie. Malgré que cette dernière soit considérée comme une défense de l'hôte pour priver les micro-organismes de fer, celle ci cause un développement d'anémies nommées anémies des maladies chroniques. Ainsi, dans le deuxième chapitre de la présente étude, nous avons étudié l'implication des TLRs et leurs protéines adaptatrices MyD88 et TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) dans le développement des hyposidérémies. En utilisant des souris déficientes en MyD88 et TRIF, nous avons montré que les voies de signalisations MyD88 et TRIF sont essentielles pour l’induction de HAMP par le LPS. Malgré l'absence de HAMP, les souris déficientes ont été capables de développer une hyposidérémie, mais la réponse des souris déficientes en MyD88 a été très légère, ce qui indique l'exigence de cette protéine pour assurer une réponse maximale au LPS. En outre, nous avons constaté que la signalisation MyD88 est nécessaire pour le stockage du fer au niveau de la rate, ainsi que l'induction de lipocaline 2 (LCN2), qui est une protéine impliquée dans la fixation du fer pour limiter la croissance bactérienne. Indépendamment de MyD88 ou TRIF, l'activation de TLR4 et TLR3 a conduit, au niveau de la rate, à une diminution rapide de l’expression de FPN et du « Human hemochromatosis protein » (HFE) qui est une protéine qui limite la séquestration du fer cellulaire à partir de la circulation. Cependant, malgré cette baisse d’expression, le manque de la signalisation MyD88 a altéré de manière significative la réponse hyposidérémique. En établissant le rôle des TLRs et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la diminution du taux du fer sérique au cours de la réponse inflammatoire, nous avons remarqué qu’en réponse au surcharge en fer les souris déficientes en MyD88 accumulent de manière significative plus de fer hépatique par rapport aux souris sauvages, et cela indépendamment des TLRs. Ainsi, dans le troisième chapitre de la présente étude, nous avons étudié le phénotype observé chez les souris déficientes en MyD88. Nous avons trouvé que l'expression de HAMP chez ces souris a été plus faible que celle des souris de type sauvage. Pour cela, nous avons exploré la signalisation à travers la voie du « Bone Morphogenetic Proteins 6 » (BMP6) qui est considérée comme étant la voie fondamentale de la régulation de HAMP en réponse aux concentrations du fer intracellulaires et extracellulaires et nous avons trouvé que l'expression protéique de Smad4, un régulateur positif de l'expression de HAMP, est significativement plus faible chez les souris MyD88-/- par rapport aux souris sauvages. En outre, on a montré que MyD88 interagit avec « mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 » (Smad4) et que cette interaction est essentielle pour l’induction de HAMP à travers la voie BMP6. En conclusion, notre étude montre que l'expression de HAMP dans les macrophages est régulée principalement par TLR2 et TLR4 à travers la voie MyD88 et que l'accumulation du fer dans les macrophages peut affecter les niveaux des cytokines pro-inflammatoires. En outre, nos analyses démontrent que le développement d’hyposidérémie en réponse au LPS se produit par l'intermédiaire d’un mécanisme dépendant de MyD88 qui est dissociée de la production de cytokines et de HAMP. En plus, nos recherches montrent que MyD88 est nécessaire pour l'expression de Smad4 et cela pour garantir une réponse optimale à travers la signalisation BMP6, conduisant ainsi à une expression adéquate de HAMP. Enfin, la protéine MyD88 joue un rôle crucial dans, la régulation de HAMP au niveau des macrophages, la diminution du taux du fer sérique en réponse au LPS et le maintien de l'homéostasie du fer.

Étude du rôle de nef dans l'altération de la transduction du signal chez les souris transgéniques CD4C/HIV NEF

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du rôle de nef dans l'altération de la transduction du signal chez les souris transgéniques CD4C/HIV���

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide alters atherosclerotic-related gene expression in oxidized low-density-lipoprotein-induced macrophages and foam cells

The molecular mechanism between atherosclerosis formation and periodontal pathogens is not clear although positive correlation between periodontal infections and cardiovascular diseases has been reported. Objective: To determine if atherosclerosis related genes were affected in foam cells during and after its formation by P. gingivalis lipopolysaccharide (LPS) stimulation. Methods: Macrophages from human THP-1 monocytes were treated with oxidized low density lipoprotein (oxLDL) to induce the formation of foam cells. P. gingivalis LPS was added to cultures of either oxLDL-induced macrophages or foam cells. The expression of atherosclerosis related genes was assayed by quantitative real time PCR and the protein production of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor（GM-CSF）, monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1), IL-1β, IL-10 and IL-12 was determined by ELISA. Nuclear translocation of NF-κB P65 was detected by immunocytochemistry and western blot was used to evaluate IKB-α degradation to confirm the NF-κB pathway activation. Results: P. gingivalis LPS stimulated atherosclerosis related gene expression in foam cells and increased oxLDL induced expression of chemokines, adhesion molecules, growth factors, apoptotic genes, and nuclear receptors in macrophages. Transcription of the pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-12 was elevated in response to LPS in both macrophages and foam cells, whereas the anti-inflammatory cytokine IL-10 was not affected. Increased NF-κB pathway activation was also observed in LPS and oxLDL co-stimulated macrophages. Conclusion: P. gingivalis LPS appears to be an important factor in the development of atherosclerosis by stimulation of atherosclerosis related gene expression in both macrophages and foam cells via activation of the NF-κB pathway.

VAMP3 regulates podosome organisation in macrophages and together with Stx4/SNAP23 mediates adhesion, cell spreading and persistent migration

The ability of cells to adhere, spread and migrate is essential to many physiological processes, particularly in the immune system where cells must traffic to sites of inflammation and injury. By altering the levels of individual components of the VAMP3/Stx4/SNAP23 complex we show here that this SNARE complex regulates efficient macrophage adhesion, spreading and migration on fibronectin. During cell spreading this complex mediates the polarised exocytosis of VAMP3- positive recycling endosome membrane into areas of membrane expansion, where VAMP3's surface partner Q-SNARE complex Stx4/SNAP23 was found to accumulate. Lowering the levels of VAMP3 in spreading cells resulted in a more rounded cell morphology and most cells were found to be devoid of the typical ring-like podosome superstructures seen normally in spreading cells. In migrating cells lowering VAMP3 levels disrupted the polarised localisation of podosome clusters. The reduced trafficking of recycling endosome membrane to sites of cell spreading and the disorganised podosome localisation in migrating macrophages greatly reduced their ability to persistently migrate on fibronectin. Thus, this important SNARE complex facilitates macrophage adhesion, spreading, and persistent macrophage migration on fibronectin through the delivery of VAMP3-positive membrane with its cargo to expand the plasma membrane and to participate in organising adhesive podosome structures.

Syntaxin 11 binds Vti1b and regulates late endosome to lysosome fusion in macrophages

Syntaxin 11 (Stx11) is a SNARE protein enriched in cells of the immune system. Loss or mutation of Stx11 results in familial hemophagocytic lymphohistiocytosis type-4 (FHL-4), an autosomal recessive disorder of immune dysregulation characterized by high levels of inflammatory cytokines along with defects in T-cell and natural killer cell function. We show here Stx11 is located on endosomalmembranes including late endosomes and lysosomes in macrophages. While Stx11 did not form a typical trans-SNARE complex, it did bind to the Q-SNARE Vti1b and was able to regulate the availability of Vti1b to form the Q-SNARE complexes Stx6/Stx7/Vtib and Stx7/Stx8/Vti1b. The mutant form of Stx11 sequestered Vti1b from forming the Q-SNARE complex that mediates late endosome to lysosome fusion. Depletion of Stx11 in activated macrophages leads to an accumulation of enlarged late endocytic compartments, increased trafficking to the cell surface and inhibition of late endosome to lysosome fusion. These phenotypes arerescued by the expression of an siRNA-resistant Stx11 construct in Stx11-depleted cells. Our results suggest that by regulating the availability of Vti1b, Stx11 regulates trafficking steps between late endosomes, lysosomes and the cell surface in macrophages.

Syntaxin 6 and Vti1b form a novel SNARE complex, which is upregulated in activated macrophages to facilitate exocytosis of TNF.

A key function of activated macrophages is to secrete proinflammatory cytokines such as TNF; however, the intracellular pathway and machinery responsible for cytokine trafficking and secretion is largely undefined. Here we show that individual SNARE proteins involved in vesicle docking and fusion are regulated at both gene and protein expression upon stimulation with the bacterial cell wall component lipopolysaccharide. Focusing on two intracellular SNARE proteins, Vti1b and syntaxin 6 (Stx6), we show that they are up-regulated in conjunction with increasing cytokine secretion in activated macrophages and that their levels are selectively titrated to accommodate the volume and timing of post-Golgi cytokine trafficking. In macrophages, Vti1b and syntaxin 6 are localized on intracellular membranes and are present on isolated Golgi membranes and on Golgi-derived TNF� vesicles budded in vitro. By immunoprecipitation, we find that Vti1b and syntaxin 6 interact to form a novel intracellular Q-SNARE complex. Functional studies using overexpression of full-length and truncated proteins show that both Vti1b and syntaxin 6 function and have rate-limiting roles in TNF� trafficking and secretion. This study shows how macrophages have uniquely adapted a novel Golgi-associated SNARE complex to accommodate their requirement for increased cytokine secretion.

Osteogenic differentiation of bone marrow MSCs by β-tricalcium phosphate stimulating macrophages via BMP2 signalling pathway

Immune reactions play important roles in determining the in vivo fate of bone substitute materials, either in new bone formation or inflammatory fibrous tissue encapsulation. The paradigm for the development of bone substitute materials has been shifted from inert to immunomodulatory materials, emphasizing the importance of immune cells in the material evaluation. Macrophages, the major effector cells in the immune reaction to implants, are indispensable for osteogenesis and their heterogeneity and plasticity render macrophages a primer target for immune system modulation. However, there are very few reports about the effects of macrophages on biomaterial-regulated osteogenesis. In this study, we used b-tricalcium phosphate (b-TCP) as a model biomaterial to investigate the role of macrophages on the material stimulated osteogenesis. The macrophage phenotype switched to M2 extreme in response to b-TCP extracts, which was related to the activation of calcium-sensing receptor (CaSR) pathway. Bone morphogenetic protein 2 (BMP2) was also significantly upregulated by the b-TCP stimulation, indicating that macrophage may participate in the b-TCP stimulated osteogenesis. Interestingly, when macrophageconditioned b-TCP extracts were applied to bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs), the osteogenic differentiation of BMSCs was significantly enhanced, indicating the important role of macrophages in biomaterial-induced osteogenesis. These findings provided valuable insights into the mechanism of material-stimulated osteogenesis, and a strategy to optimize the evaluation system for the in vitro osteogenesis capacity of bone substitute materials.

Intramacrophage survival of uropathogenic Escherichia coli : differences between diverse clinical isolates and between mouse and human macrophages

Uropathogenic E. coli (UPEC) are the primary cause of urinary tract infections. Recent studies have demonstrated that UPEC can invade and replicate within epithelial cells, suggesting that this bacterial pathogen may occupy an intracellular niche within the host. Given that many intracellular pathogens target macrophages, we assessed the interactions between UPEC and macrophages. Colonization of the mouse bladder by UPEC strain CFT073 resulted in increased expression of myeloid-restricted genes, consistent with the recruitment of inflammatory macrophages to the site of infection. In in vitro assays, CFT073 was able to survive within primary mouse bone marrow-derived macrophages (BMM) up to 24 h post-infection. Three additional well-characterized clinical UPEC isolates associated with distinct UTI symptomatologies displayed variable long-term survival within BMM. UPEC strains UTI89 and VR50, originally isolated from patients with cystitis and asymptomatic bacteriuria respectively, showed elevated bacterial loads in BMM at 24 h post-infection as compared to CFT073 and the asymptomatic bacteriuria strain 83972. These differences did not correlate with differential effects on macrophage survival or initial uptake of bacteria. E. coli UTI89 localized to a Lamp1+ vesicular compartment within BMM. In contrast to survival within mouse BMM, intracellular bacterial loads of VR50 were low in both human monocyte-derived macrophages (HMDM) and in human T24 bladder epithelial cells. Collectively, these data suggest that some UPEC isolates may subvert macrophage anti-microbial pathways, and that host species differences may impact on intracellular UPEC survival.

The co-transcriptome of uropathogenic Escherichia coli-infected mouse macrophages reveals new insights into host-pathogen interactions

Urinary tract infections (UTI) are among the most common infections in humans. Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) can invade and replicate within bladder epithelial cells, and some UPEC strains can also survive within macrophages. To understand the UPEC transcriptional program associated with intramacrophage survival, we performed host–pathogen co-transcriptome analyses using RNA sequencing. Mouse bone marrow-derived macrophages (BMMs) were challenged over a 24 h time course with two UPEC reference strains that possess contrasting intramacrophage phenotypes: UTI89, which survives in BMMs, and 83972, which is killed by BMMs. Neither of these strains caused significant BMM cell death at the low multiplicity of infection that was used in this study. We developed an effective computational framework that simultaneously separated, annotated, and quantified the mammalian and bacterial transcriptomes. BMMs responded to the two UPEC strains with a broadly similar gene expression program. In contrast, the transcriptional responses of the UPEC strains diverged markedly from each other. We identified UTI89 genes upregulated at 24 h post-infection, and hypothesized that some may contribute to intramacrophage survival. Indeed, we showed that deletion of one such gene (pspA) significantly reduced UTI89 survival within BMMs. Our study provides a technological framework for simultaneously capturing global changes at the transcriptional level in co-cultures, and has generated new insights into the mechanisms that UPEC use to persist within the intramacrophage environment.