Das Frühsommer-Meningoezephalitis-Virus (FSMEV) ist eines der wichtigsten vektorübertragenen Viren in Europa und Asien. Die häufigste Übertragung erfolgt durch den Stich einer infizierten Zecke, gelegentlich werden FSME Infektionen auch durch den Genuss von Rohmilchprodukten infizierter Tiere verursacht. Die Pathogenese von Caco-2 Monolayer Epithelzellen zeigten nach Infektion mit FSMEV morphologische Änderungen mit signifikanter Vakuolisierung. Ultrastrukturanalysen zeigten eine Ausdehnung des rauen ER und das Auftreten FSMEV haltiger Kavernen. Monolayer von Caco-2 Zellen bildeten eine Barriere mit stabilem transepithelialem elektrischem Widerstand (TEER). Auch traten Viren im basolateralen Medium auf, die über einen Tanscystose pathway (PW) aufgenommen wurden. Der Zelleintritt von FSMEV konnte durch verschiedene Inhibitoren wirksam blockiert werden, was darauf hinweist, dass Aktinfilamente und Mikrotubuli wichtig für die PI3K-abhängige Endozytose sind. Die experimentelle Flüssigkeitsaufnahme zeigte erhöhte intrazelluläre Ansammlungen von FITC-Dextran haltigen Vesikeln und die Co-Lokalisation von FSME-Viren mit frühem Endosom Antigen-1 und mit sorting nexin-5. Was auf die Makropinozytose als Transportmechanismus hinweist. Während der Infektion wurden weitere Hinweise für die Virustranslokation über den parazellulären Weg gefunden. Das konnte den FSMEV Pathomechanismus in humanen Intestinalepithelzellen über Nahrungsmittel näher aufklären. Die Untersuchung der zwei UPR „signaling PWs“ während der FSMEV Infektion in VeroE6 Zellen zeigte, dass die Menge von „heat shock protein“ 72 im Verlauf der FSMEV Infektion ansteigt, und eine FSMEV Infektion den „IRE1- und den ATF6 PW“ aktiviert. Auch die Hemmung des „IRE1 PW“ wirkt auf die FSMEV Infektion, was darauf hinweist, dass eine FSMEV Infektion die beiden „UPR signaling PWs“ aktiviert. Diese Hemmung der FSMEV Replikation durch UPR Inhibitoren könnte ein neuer Ansatz für spezifische Therapien gegen FSME sein. / Tick-borne encephalitis virus (TBEV) is one of the most important vector-borne viruses in Europe and Asia. The transmission mainly occurs by the bite of an infected tick. Consuming of rough milk products from infected livestock animals also occasionally cause TBE cases. Human intestinal Caco-2 cells were used to investigate the pathogenesis caused by TBEV. During TBEV infection Caco-2 monolayers showed morphological changes with significant vacuolization. Ultrastructural analysis revealed dilatation of the rough endoplasmic reticulum and further enlargement to TBEV containing caverns. Caco-2 monolayers showed an intact epithelial barrier with stable transepithelial electrical resistance (TER). Concomitantly, viruses were detected in the basolateral medium, taken up via a transcytosis pathway. TBEV cell entry was efficiently blocked with different inhibitors, suggesting that actin filaments and microtubules are important for PI3K-dependent endocytosis. Moreover, experimental fluid uptake assay showed increased intracellular accumulation of FITC-dextran containing vesicles and co-localization of TBEV with early endosome antigen-1 and with sorting nexin-5 could confirm macropinocytosis as trafficking mechanism. In the late phase of infection, further evidence was found for translocation of virus via the paracellular pathway. Thus, TBEV pathomechanisms in human intestinal epithelial cells and its transmission via the alimentary route were enlightened. In addition, I investigated the effects of the two unfolded protein response (UPR) signaling pathways upon TBEV infection in Vero E6 cells. I showed that the amount of heat shock protein 72 increased in the course of TBEV infection. I then confirmed that TBEV infection activates the IRE1 pathway and ATF6 pathway. These findings provide the first evidence that TBEV infection activates the two UPR signaling pathways. Moreover, inhibition of UPR may provide a novel therapeutic strategy against TBE.

The endoplasmic reticulum is the primary organelle in the cell which has the responsibility of properly folding proteins belonging to the secretory pathway. Secretory proteins are essential for a variety of functions within the body like metabolism, growth and survival. Hence, proper folding of the proteins in the ER is absolutely essential to maintain cellular and body function. The environment of the ER is substantially different from that of the cytoplasm and is primed essentially to provide the optimum conditions to fold newly synthesized polypeptides following translation by the ribosomes in the cytoplasm and on the surface of the ER. In order for secretory proteins to fold properly, ER homeostasis must be maintained. ER homeostasis is defined by the dynamic balance between the ER protein load and the ER capacity to process this load. The optimum environment of the ER, or ER homeostasis, can be perturbed by pathological processes such as hypoxia, glucose deprivation, viral infections, environmental toxins, inflammatory cytokines, and mutant protein expression, as well as by physiological processes such as aging. Disruption of ER homeostasis causes accumulation of unfolded and misfolded proteins in the ER. This condition is referred to as ER stress. Cells cope with ER stress by activating the unfolded protein response (UPR). The UPR is initiated by three ER transmembrane proteins: Inositol requiring 1 (IRE1), PKR-like ER kinase, and activating transcription factor 6 (ATF6). These three master regulators sense and interpret protein folding conditions in the ER and translate this information across the ER membrane to activate downstream effectors, spliced XBP1, phosphorylated eIF2α and ATF4, and cleaved active ATF6 respectively. These effectors have two distinct outputs, homeostatic and apoptotic. Homeostatic outputs are adaptive responses that function to attenuate ER stress and restore ER homeostasis. These responses include the attenuation of protein translation to reduce ER workload and prevent further accumulation of unfolded proteins, upregulation of molecular chaperones and protein processing enzymes to enhance the ER folding activity, and the increase in ER-associated degradation (ERAD) components to promote clearance of unfolded proteins. When ER stress reaches a point where the cells cannot tolerate the load of unfolded proteins any more, apoptosis sets in. One of the major secretory proteins in mammals, vascular endothelial growth factor VEGF, is essential for either normal or pathological angiogenesis (blood vessel development). VEGFA is the primary member of this family which is expressed in all endothelial cells and is responsible for sprouting and invasion of blood vessels into the interstitium and thus helps in supplying nutrients and oxygen to growing cells. Recent studies have indicated that cells suffering from insufficient blood supply experience ER stress. The ER needs energy and oxygen for the folding process, thus nutrient deprivation (low ATP production) and hypoxia caused by insufficient blood supply leads to inefficient protein folding and ER stress in cells, especially in cancer cells that grow and spread rapidly. This condition also occurs in the development of the mammalian placenta. The placenta is an essential tissue characterized by a lot of blood vessels. It is responsible for the exchange of nutrients and growth factors between maternal and fetal blood vessels and hence is essential for survival of the embryo. Nutrient deprivation and hypoxia stimulate the production of VEGFA and other angiogenic factors, leading to protection against ischaemic injury in both cancer cells as well as the developing placenta. In this dissertation, we report that the three master regulators of the UPR, IRE1α, PERK and ATF6α, mediate transcriptional regulation of VEGFA under ER stress in cancer cells. Inactivation of any of the three master regulators leads to attenuation of VEGFA expression under ER stress. We show that IRE1α is able to regulate VEGFA through its downstream transcription factor XBP1 which activates the VEGFA promoter. IRE1α mediated VEGFA regulation is also essential for normal development of labyrinthine trophoblast cells in the placenta. ATF6α also regulates VEGFA via its promoter. PERK is able to activate VEGFA by preferential activation of its downstream effector, ATF4, which binds intron 1 of the VEGFA gene. Thus our work reveals a twopronged differential regulatory action of the UPR sensors on VEGFA gene expression. This work suggests that a fully active UPR is essential for VEGFA upregulation under ER stress. All three regulators are required in cancer cells for normal VEGFA expression. This tight regulation of VEGFA by the UPR presents a wonderful opportunity for therapeutic intervention into angiogenic growth of tumors.

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens. / Type 2 diabetes is characterized by insulin resistance and impaired insulin secretion from the pancreatic β-cell. Endoplasmic reticulum (ER) stress and innate immunity have both been reported to alter pancreatic β-cell function. However, it is not clear whether these factors can affect the transcription of the insulin gene. The aim of this thesis was to assess the role of ER stress and innate immunity in the regulation of the insulin gene. Pancreatic β-cells have a well-developed endoplasmic reticulum (ER) due to their highly specialized secretory function to produce insulin in response to glucose and nutrients. In a first study, using several approaches we showed that ATF6 (activating transcription factor 6), a protein implicated in the ER stress response, directly binds to the A5/Core of the insulin gene promoter in isolated rat islets. We also showed that overexpression of the active (cleaved) fragment of ATF6α, but not ATF6β, inhibits the activity of an insulin promoter-reporter construct. However, the inhibitory effect of ATF6α was insensitive to mutational inactivation or deletion of the A5/Core. Therefore, although ATF6 binds directly to the A5/Core of the rat insulin II gene promoter, this direct binding does not appear to contribute to its repressive activity. In recent years, the gut microbiota was proposed has an environmental factor increasing the risk of type 2 diabetes. Subjects with diabetes have higher circulating levels of lipopolysaccharides (LPS) than non-diabetic patients. Recent observations suggest that the signalling cascade activated by LPS binding to Toll-Like Receptor 4 (TLR4) exerts deleterious effects on pancreatic β-cell function; however, the molecular mechanisms of these effects are incompletely understood. We showed that exposure of isolated human, rat and mouse islets of Langerhans to LPS dose-dependently reduced insulin gene expression. This was associated in mouse and rat islets with decreased mRNA expression of two key transcription factors of the insulin gene, PDX-1 (pancreatic duodenal homeobox 1) and MafA (mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). LPS repression of insulin, PDX-1 and MafA expression was not observed in islets from TLR4-deficient mice and was completely prevented in rat islets by inhibition of the NF-kB signalling pathway. These results demonstrate that LPS inhibits β-cell gene expression in a TLR4-dependent manner and via NF-kB signaling in pancreatic islets, suggesting a novel mechanism by which the gut microbiota might affect pancreatic β-cell function. Our findings provide a better understanding of the molecular mechanisms underlying insulin gene repression in type 2 diabetes, and suggest potential therapeutic targets that might prevent or delay the decline of β-cell function in the course of type 2 diabetes, which affects more than two million Canadians.

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens. / Type 2 diabetes is characterized by insulin resistance and impaired insulin secretion from the pancreatic β-cell. Endoplasmic reticulum (ER) stress and innate immunity have both been reported to alter pancreatic β-cell function. However, it is not clear whether these factors can affect the transcription of the insulin gene. The aim of this thesis was to assess the role of ER stress and innate immunity in the regulation of the insulin gene. Pancreatic β-cells have a well-developed endoplasmic reticulum (ER) due to their highly specialized secretory function to produce insulin in response to glucose and nutrients. In a first study, using several approaches we showed that ATF6 (activating transcription factor 6), a protein implicated in the ER stress response, directly binds to the A5/Core of the insulin gene promoter in isolated rat islets. We also showed that overexpression of the active (cleaved) fragment of ATF6α, but not ATF6β, inhibits the activity of an insulin promoter-reporter construct. However, the inhibitory effect of ATF6α was insensitive to mutational inactivation or deletion of the A5/Core. Therefore, although ATF6 binds directly to the A5/Core of the rat insulin II gene promoter, this direct binding does not appear to contribute to its repressive activity. In recent years, the gut microbiota was proposed has an environmental factor increasing the risk of type 2 diabetes. Subjects with diabetes have higher circulating levels of lipopolysaccharides (LPS) than non-diabetic patients. Recent observations suggest that the signalling cascade activated by LPS binding to Toll-Like Receptor 4 (TLR4) exerts deleterious effects on pancreatic β-cell function; however, the molecular mechanisms of these effects are incompletely understood. We showed that exposure of isolated human, rat and mouse islets of Langerhans to LPS dose-dependently reduced insulin gene expression. This was associated in mouse and rat islets with decreased mRNA expression of two key transcription factors of the insulin gene, PDX-1 (pancreatic duodenal homeobox 1) and MafA (mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). LPS repression of insulin, PDX-1 and MafA expression was not observed in islets from TLR4-deficient mice and was completely prevented in rat islets by inhibition of the NF-kB signalling pathway. These results demonstrate that LPS inhibits β-cell gene expression in a TLR4-dependent manner and via NF-kB signaling in pancreatic islets, suggesting a novel mechanism by which the gut microbiota might affect pancreatic β-cell function. Our findings provide a better understanding of the molecular mechanisms underlying insulin gene repression in type 2 diabetes, and suggest potential therapeutic targets that might prevent or delay the decline of β-cell function in the course of type 2 diabetes, which affects more than two million Canadians.