Regulation of the memory T cell development and islet beta-cell survival by DAPK-related apoptosis-inducing protein kinase 2 (Drak2)

Drak2 est un membre de la famille des protéines associées à la mort et c’est une sérine/thréonine kinase. Chez les souris mutantes nulles Drak2, les cellules T ne présentent aucune défectuosité apparente en apoptose induite par activation, après stimulation avec anti-CD3 et anti-CD28, mais ont un seuil de stimulation réduit, comparées aux cellules T de type sauvage (TS). Dans notre étude, l’analyse d’hybridation in situ a révélé que l’expression de Drak2 est ubiquiste au stade de la mi-gestation chez les embryons, suivie d’une expression plus focale dans les divers organes pendant la période périnatale et l’âge adulte, notamment dans le thymus, la rate, les ganglions lymphatiques, le cervelet, les noyaux suprachiasmatiques, la glande pituitaire, les lobes olfactifs, la médullaire surrénale, l’estomac, la peau et les testicules. Nous avons créé des souris transgéniques (Tg) Drak2 en utilisant le promoteur humain beta-actine. Ces souris Tg montraient des ratios normaux entre cellules T versus B et entre cellules CD4 versus CD8, mais leur cellularité et leur poids spléniques étaient inférieurs comparé aux souris de type sauvage. Après activation TCR, la réponse proliférative des cellules T Tg Drak2 était normale, même si leur production d’interleukine (IL)-2 et IL-4 mais non d’interféron-r était augmentée. Les cellules T Tg Drak2 activées ont démontré une apoptose significativement accrue en présence d’IL-2 exogène. Au niveau moléculaire, les cellules T Tg Drak2 ont manifesté une augmentation moins élevée des facteurs anti-apoptotiques durant l’activation; un tel changement a probablement rendu les cellules vulnérables aux attaques subséquentes d’IL-2. L’apoptose compromise dans les cellulesT Tg Drak2 a été associée à un nombre réduit de cellules T ayant le phénotype des cellules mémoires (CD62Llo) et avec des réactions secondaires réprimées des cellules T dans l’hypersensibilité de type différé. Ces résultats démontrent que Drak2 s’exprime dans le compartiment des cellules T mais n’est pas spécifique aux cellules T; et aussi qu’il joue des rôles déterminants dans l’apoptose des cellules T et dans le développement des cellules mémoires T. En outre, nous avons recherché le rôle de Drak2 dans la survie des cellules beta et le diabète. L’ARNm et la protéine Drak2 ont été rapidement induits dans les cellules beta de l’îlot après stimulation exogène par les cytokines inflammatoires ou les acides gras libres et qui est présente de façon endogène dans le diabète, qu’il soit de type 1 ou de type 2. La régulation positive de Drak2 a été accompagnée d’une apoptose accrue des cellules beta. L’apoptose des cellules beta provoquée par les stimuli en question a été inhibée par la chute de Drak2 en utilisant petit ARNi. Inversement, la surexpression de Drak2 Tg a mené à l’apoptose aggravée des cellules beta déclenchée par les stimuli. La surexpression de Drak2 dans les îlots a compromis l’augmentation des facteurs anti-apoptotiques, tels que Bcl-2, Bcl-xL et Flip, sur stimulation par la cytokine et les acides gras libres. De plus, les expériences in vivo ont démontré que les souris Tg Drak2 étaient sujettes au diabète de type 1 dans un modèle de diabète provoqué par de petites doses multiples de streptozotocine et qu’elles étaient aussi sujettes au diabète de type 2 dans un modèle d’obésité induite par la diète. Nos données montrent que Drak2 est défavorable à la survie des cellules beta. Nous avons aussi étudié la voie de transmission de Drak2. Nous avons trouvé que Drak2 purifiée pouvait phosphoryler p70S6 kinase dans une analyse kinase in vitro. Lasurexpression de Drak2 dans les cellules NIT-1 a entraîné l’augmentation de la phosphorylasation p70S6 kinase tandis que l’abaissement de Drak2 dans ces cellules a réduit la phosphorylation. Ces recherches mécanistes ont prouvé que p70S6 kinase était véritablement un substrat de Drak2 in vitro et in vivo. Cette étude a découvert les fonctions importantes de Drak2 dans l’homéostasie des cellules T et le diabète. Nous avons prouvé que p70S6 kinase était un substrat de Drak2. Nos résultats ont approfondi nos connaissances de Drak2 à l’intérieur des systèmes immunitaire et endocrinien. Certaines de nos conclusions, comme les rôles de Drak2 dans le développement des cellules mémoires T et la survie des cellules beta pourraient être explorées pour des applications cliniques dans les domaines de la transplantation et du diabète.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

DAILY VARIATION OF CONSTITUTIVELY ACTIVATED NUCLEAR FACTOR KAPPA B (NFKB) IN RAT PINEAL GLAND

In mammals, the production of melatonin by the pineal gland is mainly controlled by the suprachiasmatic nuclei (SCN), the master clock of the circadian system. We have previously shown that agents involved in inflammatory responses, such as cytokines and corticosterone, modulate pineal melatonin synthesis. The nuclear transcription factor NFKB, detected by our group in the rat pineal gland, modulates this effect. Here, we evaluated a putative constitutive role for the pineal gland NFKB pathway. Male rats were kept under 12 h: 12 h light-dark (LD) cycle or under constant darkness (DD) condition. Nuclear NFKB was quantified by electrophoretic mobility shift assay on pineal glands obtained from animals killed throughout the day at different times. Nuclear content of NFKB presented a daily rhythm only in LD-entrained animals. During the light phase, the amount of NFKB increased continuously, and a sharp drop occurred when lights were turned off. Animals maintained in a constant light environment until ZT 18 showed diurnal levels of nuclear NFKB at ZT15 and ZT18. Propranolol (20 mg/kg, i.p., ZT 11) treatment, which inhibits nocturnal sympathetic input, impaired nocturnal decrease of NFKB only at ZT18. A similar effect was observed in free-running animals, which secreted less nocturnal melatonin. Because melatonin reduces constitutive NFKB activation in cultured pineal glands, we propose that this indolamine regulates this transcription factor pathway in the rat pineal gland, but not at the LD transition. The controversial results regarding the inhibition of pineal function by constant light or blocking sympathetic neurotransmission are discussed according to the hypothesis that the prompt effect of lights-off is not mediated by noradrenaline, which otherwise contributes to maintaining low levels of nuclear NFKB at night. In summary, we report here a novel transcription factor in the pineal gland, which exhibits a constitutive rhythm dependent on environmental photic information. (Author correspondence: rpmarkus@usp.br)

Melanopsin and Clock Genes: Regulation by Light and Endothelin in the Zebrafish ZEM-2S Cell Line

It is well known that clocks are present in brain regions other than the suprachiasmatic nucleus and in many peripheral tissues. In the teleost, Danio rerio, peripheral oscillators can be directly synchronized by light. Danio rerio ZEM-2S embryonic cells respond to light with differential growth: cells kept in constant light exhibited a strong inhibition of proliferation, whereas in cells kept in light:dark (LD) cycles (14L:10D and 10L:14D) or in constant darkness (DD), the doubling times were not statistically different. We demonstrated by RT-PCR followed by PCR that ZEM-2S cells express two melanopsins, Opn4x and Opn4m, and the six Cry genes. The presence of the protein OPN4x was demonstrated by immunocytochemistry. The pattern of temporal expression of the genes Opn4x, Per1, Cry1b, and Clock was studied in ZEM-2S cells kept for five days in 12L:12D or DD. In 12L:12D, the clock genes Per 1 and Cry1b exhibited robust circadian expression, while Opn4x and Clock expression seemed to vary in an ultradian pattern. Both Per1 and Cry1b genes had higher expression during the L phase; Clock gene had an increase in expression coincident with the D phase, and during the subjective night. In DD, the temporal variation of Per1 and Cry1b genes was greatly attenuated but not extinguished, and the higher expressions were shifted to the transition times between subjective day and night, demonstrating that Per and Cry1b were synchronized by the LD cycle. Clock and Opn4x kept the ultradian oscillation, but the rhythm was not statistically significant. As endothelins (ET) have been reported to be a potent stimulator of Per genes in rodents, we investigated the effect of endothelin on ZEM-2S cells, which express ETA receptors. Cells were kept in 12D:12L for five days, and then treated with 10-11 to 10-8M ET-1 for 24h. ET-1 exhibited a biphasic effect on Opn4x expression. At 10-11M, the hormone exerted a highly significant stimulation of Opn4x expression during the L phase and introduced a circadian oscillatory pattern. At 10-10M, a significant increase was seen at ZT21 and ZT0 (i.e., at the end of the D phase and beginning of the L phase), whereas 10-9 and 10-8M ET-1 inhibited the expression of Opn4x at most ZTs. Clock expression was unaffected by 10-8M ET-1; however, in the presence of lower concentrations, the expression was enhanced at some ZTs, strengthening the ultradian oscillation. ET-1 at 10-11 and 10-10M had no effect on Per1 circadian expression; however, 10-9 and 10-8M ET-1 reduced the amplitude of Per1 expression in the beginning of the L phase. ET-1 effects were less evident on Cry 1b. For both genes, the reduction in expression was not sufficient to abolish the circadian oscillatory pattern. Based on these results and data in the literature, a link between ET-1 stimulation of ETA receptors may be established by E4BP4 binding to the promoters and consequent inhibition of gene expression.

The Immune-Pineal Axis Stress as a Modulator of Pineal Gland Function

The temporal organization of mammals presents a daily adjustment to the environmental light/dark cycle. The environmental light detected by the retina adjusts the central clock in the suprachiasmatic nuclei, which innervate the pineal gland through a polysynaptic pathway. During the night, this gland produces and releases the nocturnal hormone melatonin, which circulates throughout the whole body and adjusts several bodily functions according to the existence and duration of darkness. We have previously shown that during the time frame of an inflammatory response, pro-inflammatory cytokines, such as tumor necrosis factor-a, inhibit while anti-inflammatory mediators, such as glucocorticoids, enhance the synthesis of melatonin, interfering in the daily adjustment of the light/dark cycle. Therefore, injury disconnects the organism from environmental cycling, while recovery restores the light/dark information to the whole organism. Here, we extend these observations by evaluating the effect of a mild restraint stress, which did not induce macroscopic gastric lesions. After 2 h of restraint, there was an increase in circulating corticosterone, indicating activation of the hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis. In parallel, an increase in melatonin production was observed. Taking into account the data obtained with models of inflammation and stress, we reinforce the hypothesis that the activity of the pineal gland is modulated by the state of the immune system and the HPA axis, implicating the darkness hormone melatonin as a modulator of defense responses.

Period determination in the food-entrainable and methamphetamine-sensitive circadian oscillator(s)

Daily rhythmic processes are coordinated by circadian clocks, which are present in numerous central and peripheral tissues. In mammals, two circadian clocks, the food-entrainable oscillator (FEO) and methamphetamine-sensitive circadian oscillator (MASCO), are "black box" mysteries because their anatomical loci are unknown and their outputs are not expressed under normal physiological conditions. In the current study, the investigation of the timekeeping mechanisms of the FEO and MASCO in mice with disruption of all three paralogs of the canonical clock gene, Period, revealed unique and convergent findings. We found that both the MASCO and FEO in Per1(-/-)/Per2(-/-)/Per3(-/-) mice are circadian oscillators with unusually short (similar to 21 h) periods. These data demonstrate that the canonical Period genes are involved in period determination in the FEO and MASCO, and computational modeling supports the hypothesis that the FEO and MASCO use the same timekeeping mechanism or are the same circadian oscillator. Finally, these studies identify Per1(-/-)/Per2(-/-)/Per3(-/-) mice as a unique tool critical to the search for the elusive anatomical location(s) of the FEO and MASCO.

Altered emotional and locomotor responses in mice deficient in the transcription factor CREM

Various transcription factors act as nuclear effectors of the cAMP-dependent signaling pathway. These are the products of three genes in the mouse, CREB, CRE modulator (CREM), and ATF-1. CREM proteins are thought to play important roles within the hypothalamic–pituitary axis and in the control of rhythmic functions in the pineal gland. We have generated CREM-mutant mice and investigated their response in a variety of behavioral tests. CREM-null mice show a drastic increase in locomotion. In contrast to normal mice, the CREM-deficient mice show equal locomotor activity during the circadian cycle. The anatomy of the hypothalamic suprachiasmatic nuclei, the center of the endogenous pacemaker, is normal in mutant mice. Remarkably, CREM mutant mice also elicit a different emotional state, revealed by a lower anxiety in two different behavioral models, but they preserve the conditioned reactiveness to stress. These results demonstrate the high degree of functional specificity of each cAMP-responsive transcription factor in behavioral control.

Rapid down-regulation of mammalian Period genes during behavioral resetting of the circadian clock

The pervasive role of circadian clocks in regulating physiology and behavior is widely recognized. Their adaptive value is their ability to be entrained by environmental cues such that the internal circadian phase is a reliable predictor of solar time. In mammals, both light and nonphotic behavioral cues can entrain the principal oscillator of the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN). However, although light can advance or delay the clock during circadian night, behavioral events trigger phase advances during the subjective day, when the clock is insensitive to light. The recent identification of Period (Per) genes in mammals, homologues of dperiod, which encodes a core element of the circadian clockwork in Drosophila, now provides the opportunity to explain circadian timing and entrainment at a molecular level. In mice, expression of mPer1 and mPer2 in the SCN is rhythmic and acutely up-regulated by light. Moreover, the temporal relations between mRNA and protein cycles are consistent with a clock based on a transcriptional/translational feedback loop. Here we describe circadian oscillations of Per1 and Per2 in the SCN of the Syrian hamster, showing that PER1 protein and mRNA cycles again behave in a manner consistent with a negative-feedback oscillator. Furthermore, we demonstrate that nonphotic resetting has the opposite effect to light: acutely down-regulating these genes. Their sensitivity to nonphotic resetting cues supports their proposed role as core elements of the circadian oscillator. Moreover, this study provides an explanation at the molecular level for the contrasting but convergent effects of photic and nonphotic cues on the clock.

The biological clock of very premature primate infants is responsive to light

Each year more than 250,000 infants in the United States are exposed to artificial lighting in hospital nurseries with little consideration given to environmental lighting cycles. Essential in determining whether environmental lighting cycles need to be considered in hospital nurseries is identifying when the infant’s endogenous circadian clock becomes responsive to light. Using a non-human primate model of the developing human, we examined when the circadian clock, located in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN), becomes responsive to light. Preterm infant baboons of different ages were exposed to light (5,000 lux) at night, and then changes in SCN metabolic activity and gene expression were assessed. After exposure to bright light at night, robust increases in SCN metabolic activity and gene expression were seen at ages that were equivalent to human infants at 24 weeks after conception. These data provide direct evidence that the biological clock of very premature primate infants is responsive to light.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Patterns of fos activation in rat raphe nuclei during feeding behavior

To analyze the differential recruitment of the raphe nuclei during different phases of feeding behavior, rats were subjected to a food restriction schedule (food for 2 h/day, during 15 days). The animals were submitted to different feeding conditions, constituting the experimental groups: search for food (MFS), food ingestion (MFI), satiety (MFSa) and food restriction control (MFC). A baseline condition (BC) group was included as further control. The MFI and MFC groups, which presented greater autonomic and somatic activation, had more FOS-immunoreactive (FOS-IR) neurons. The MFI group presented more labeled cells in the linear (LRN) and dorsal (DRN) nuclei; the MFC group showed more labeling in the median (MRN), pontine (PRN), magnus (NRM) and obscurus (NRO) nuclei; and the MFSa group had more labeled cells in the pallidus (NRP). The BC exhibited the lowest number of reactive cells. The PRN presented the highest percentage of activation in the raphe while the DRN the lowest. Additional experiments revealed few double-labeled (FOS-IR+ 5-HT-IR) cells within the raphe nuclei in the MFI group, suggesting little serotonergic activation in the raphe during food ingestion. These findings suggest a differential recruitment of raphe nuclei during various phases of feeding behavior. Such findings may reflect changes in behavioral state (e.g., food-induced arousal versus sleep) that lead to greater motor activation, and consequently increased FOS expression. While these data are consistent with the idea that the raphe system acts as gain setter for autonomic and somatic activities, the functional complexity of the raphe is not completely understood. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

5-HT(1B) receptor in the suprachiasmatic nucleus of the common marmoset (Callithrix jacchus)

Serotonin (5-HT) is involved in the fine adjustments at several brain centers including the core of the mammal circadian timing system (CTS) and the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN). The SCN receives massive serotonergic projections from the midbrain raphe nuclei, whose inputs are described in rats as ramifying at its ventral portion overlapping the retinohypothalamic and geniculohypothalamic fibers. In the SCN, the 5-HT actions are reported as being primarily mediated by the 5-HT1 type receptor with noted emphasis for 5-HT(1B) subtype, supposedly modulating the retinal input in a presynaptic way. In this study in a New World primate species, the common marmoset (Callithrix jacchus), we showed the 5-HT(1B) receptor distribution at the dorsal SCN concurrent with a distinctive location of 5-HT-immunoreactive fibers. This finding addresses to a new discussion on the regulation and synchronization of the circadian rhythms in recent primates. (C) 2010 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

5-HT1B receptor in the suprachiasmatic nucleus of the common marmoset (Callithrix jacchus)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effect of deprivation of vitamin A on the basic proteins of the nuclei of rat testes

The relative concentrations of the major histones, namely, H1, TH1, H2A, H2B, H3 and H4 are not significantly changed in the testes of the vitamin A-deficient rats, as compared to those in the normal controls. But the testis-specific protein, TP, which is synthesized at the mid-spermatid stage, is markedly reduced in the testes of the deficient rats. On supplementation of the deficient rats with retinyl acetate for 28 days, there was a 50% recovery in the relative concentration of the TP with respect to the total amounts of H1 and TH1.