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Touchant près de 3 à 10 % des nouveau-nés, les hémangiomes infantiles (HI) sont des tumeurs vasculaires bénignes, les plus fréquentes chez les nourrissons. Les HI sévères sont actuellement traités par un bêtabloqueur, le propranolol, dont l’efficacité a été découverte de manière fortuite. Ainsi, son mécanisme d’action est méconnu. Le propranolol se fixe sur les récepteurs beta-adrénergiques et empêche leur activation par les catécholamines comme la noradrénaline. Nous nous sommes donc interrogés sur la relation entre le propranolol et la noradrénaline dans cette tumeur. Nous avons montré une forte expression de la noradrénaline et des enzymes de synthèse des catécholamines dans les HI, comparés aux hémangiomes congénitaux, qui diminuent lorsque la tumeur involue ou est traitée par le propranolol. Nous avons ensuite réalisé un modèle in vitro ressemblant à l’HI à partir de cellules isolées d’HI capables de synthétiser les catécholamines : les cellules endothéliales et les péricytes. Ce modèle nous permettra d’étudier l’impact de la noradrénaline et du propranolol sur ces cellules. Parallèlement, notre équipe a réalisé un modèle in vivo qui a permis de mettre en évidence le rôle clé de la protéine quaporine-1 (AQP1) dans la réponse antitumorale du propranolol. Nous avons également étudié l’expression de l’AQP1 dans les HI et les hémangiomes congénitaux et découvert un type cellulaire adventitiel exprimant l’AQP1 dans les HI, le télocyte. Au total, notre travail sur l’HI a mis en évidence d’une part une possibilité de production endogène accrue de noradrénaline, probablement antagonisée avec succès par le propranolol, et la découverte de télocytes AQP1+ qui pourraient avoir un rôle dans la spécificité de la réponse des HI au propranolol. / Affecting nearly 3 to 10 % of newborns, infantile hemangiomas (HI) are the most common benign vascular tumors in infants. Severe HIs are currently treated with a beta-blocker, propranolol, whose efficacy was discovered by serendipidity. Propranolol binds to beta-adrenergic receptors and prevents their activation by catecholamines such as noradrenaline. We therefore wondered about the relationship between propranolol and noradrenaline in this tumor. We showed a strong expression of noradrenaline and catecholamine synthesis enzymes in HI, compared to congenital hemangiomas, which decrease when the tumor involutes or is treated with propranolol. We then realize an in vitro model resembling HI from cells isolated from HI capable of synthesizing catecholamines: endothelial cells and pericytes. This model will permit to study the impact of noradrenaline and propranolol on these cells. At the same time, our team created an in vivo model that highlighted the key role of aquaporin-1 protein (AQP1) in the antitumor response to propranolol. We have also studied the expression of AQP1 in HI and congenital hemangiomas, and discovered an adventitious cell type expressing AQP1 in HI, the telocyte. Altogether, our work on HI has revealed firstly the possibility of increased endogenous production of norepinephrine, probably successfully antagonized by propranolol, and secondly the presence of AQP1 + cells which could have a central role central in the specificity of HI response to propranolol.

Aquaporin proteins significantly increase water permeability across tissues and cell membranes. Ocular tissues, including the trabecular meshwork (TM) and retinal pigment epithelium (RPE), are especially reliant on aquaporin mediated water movement for ocular homeostasis. Even though bulk fluid movement is paracellular through the TM and transcellular through the RPE, both express aquaporin-1 (AQP1). The role and regulation of AQP1 as it relates to homeostasis in different ocular tissues is not well understood. I hypothesized that ocular tissues respond to external mechanical and molecular cues by altering AQP1 expression and function in order to regulate ocular fluid movement and maintain homeostasis.To test how AQP1 function is altered in response to external cues in order to maintain tissue-specific homeostasis, I addressed the following two aims. The first aim was directed at determining how mechanical strain, an external stimulus that routinely affects TM function, influences AQP1 expression and TM homeostasis. Primary cultures of human TM were subjected to static and cyclic stretch and then analyzed for changes in AQP1 expression by western blot and cell damage by activity of lactate dehydrogense (LDH) in conditioned media. The results show AQP1 expression and LDH release significantly increased with static stretch. Analysis of LDH release with respect to AQP1 expression revealed an inverse linear relationship (r² = 0.7780).The second aim was directed at characterizing signaling mechanisms responsible for regulating fluid transport in RPE, previously shown to be dependent upon AQP1. I treated primary cultures of human RPE with either atrial natriuretic peptide (ANP) or 8-bromo-cyclic guanosine monophosphate (8-Br-cGMP) in the presence or absence of Anantin (ANP-receptor inhibitor) or H-8 (Protein Kinase G inhibitor). The results show that ANP and 8-Br-cGMP significantly increased apical to basal net fluid movement (p < 0.05, n = 3). Inhibition of these effects was successful with Anantin treatment but not with application of H-8.The data presented demonstrate a novel role of protection for AQP1 in TM, and also expand upon cGMP dependent regulation of RPE fluid transport. The combined studies indicate tissue specific AQP1 regulation may offer new avenues to target water movement in treatment of ocular pathologies.

Hintergrund: Die bakterielle Meningitis hat eine Letalität von 10-20%. Das Hirnödem stellt bei ca. 14 % der Erkrankten eine prognosebestimmende Komplikation dar. Ein aktueller Forschungsansatz umfasst die Bedeutung der Aquaporine für die Entwicklung, Aufrechterhaltung und Resorption der verschiedenen Hirnödemformen, insbesondere des zytotoxischen und des vasogenen Hirnödems. In dieser Arbeit wird untersucht, ob Aquaporin 1 und Aquaporin 4 im Liquor von Patienten mit bakterieller und viraler Meningitis, im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe, nachweisbar sind. Zudem sollte geklärt werden, ob sich hieraus eine differenzialdiagnostische Einordnung ergibt und sich Rückschlüsse auf das Ausmaß eines Hirnödems und das Outcome schließen lassen. Methode: Aquaporin 1 und 4 wurde im Liquor und im Serum von Patienten mit bakterieller (nCSF = 35 , nSerum = 20) und viraler  (nCSF = 22) Meningitis sowie in einer Kontrollgruppe (nCSF = 27 , nSerum = 12) mittels eines (kommerziell erhältlichen) ELISAs bestimmt. Klinische Daten und Routinelaborparameter wurden verglichen und in Korrelation zu den Aquaporinkonzentrationen gesetzt. Ergänzend wurde bei einer Untergruppe der Patienten mit bakterieller Meningitis (n = 8) eine neuropsychologische Testung durchgeführt. Ergebnisse: Aquaporin 1 und 4 ließen sich in allen Gruppen nachweisen, ca. 40% der Aquaporin 4 Konzentrationen lagen unterhalb der Nachweisgrenze des ELISAs. Im Gruppenvergleich aller drei Gruppen unterschieden sich die Aquaporin 1-Konzentrationen (p = 0,0001) und die Aquaporin 4-Konzentrationen (p = 0,035) im Liquor signifikant voneinander. In der Gruppe der Patienten mit bakterieller Meningitis ließ sich eine negative Korrelation zwischen Aquaporin 1 und 4 im Liquor feststellen (r = - 0,519, p = 0,002). Aussagekräftige Korrelationen der klinischen Daten, der liquor- und laborchemischen Parameter sowie der neuropsychologischen Testergebnisse zu den Aquaporin 1- und Aquaporin 4-Konzentrationen fanden sich nicht.  Diskussion: In dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass Aquaporin 1 und Aquaporin 4 im Liquor (und Serum) von Patienten mit einer bakteriellen und viralen Meningitis sowie in einer Kontrollgruppe nachweisbar sind. Für Aquaporin 1 und Aquaporin 4 im Liquor fanden sich signifikante Unterschiede im Vergleich aller Gruppen im Kruskal-Wallis-Test. Rückschlüsse bezüglich einer differenzial-diagnostischen Einordnung zur viralen Meningitis konnten nicht gezogen werden. Aussagen zur Schwere eines Hirnödems und zur Prognose können mit den vorliegenden Daten nicht getroffen werden. Der Ursprung der gemessenen Aquaporine bei Patienten mit Meningitis lässt sich in dieser Arbeit nicht abschließend klären und bedarf weiterer Grundlagenforschung.

Most membrane proteins are inserted into the membrane co-translationally utilizing the translocon, which allows a sufficiently long and hydrophobic stretch of amino acids to partition into the membrane. However, X-ray structures of membrane proteins have revealed that some transmembrane helices (TMHs) are surprisingly hydrophilic. These marginally hydrophobic transmembrane helices (mTMH) are not recognized as TMHs by the translocon in the absence of local sequence context. We have studied three native mTMHs, which were previously shown to depend on a subsequent TMH for membrane insertion. Their recognition was not due to specific interactions. Instead, the presence of basic amino acids in their cytoplasmic loop allowed membrane insertion of one of them. In the other two, basic residues are not sufficient unless followed by another, hydrophobic TMH. Post-insertional repositioning are another way to bring hydrophilic residues into the membrane. We show how four long TMHs with hydrophilic residues seen in X-ray structures, are initially inserted as much shorter membrane-embedded segments. Tilting is thus induced after membrane-insertion, probably through tertiary packing interactions within the protein. Aquaporin 1 illustrates how a mTMH can shape membrane protein folding and how repositioning can be important in post-insertional folding. It initially adopts a four-helical intermediate, where mTMH2 and TMH4 are not inserted into the membrane. Consequently, TMH3 is inserted in an inverted orientation. The final conformation with six TMHs is formed by TMH2 and 4 entering the membrane and TMH3 rotating 180°. Based on experimental and computational results, we propose a mechanism for the initial step in the folding of AQP1: A shift of TMH3 out from membrane core allows the preceding regions to enter the membrane, which provides flexibility for TMH3 to re-insert in its correct orientation. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript.</p>

L’expression ‘programmation périnatale’ est employée pour décrire les effets à long terme d’un environnement gestationel néfaste observés chez la progéniture. Ce concept est aujourd’hui bien reconnu. Notre laboratoire a déjà démontré l’impact de l’hyperglycémie maternelle sur le développement rénal des embryons à l’aide des souris HoxB7-GFP transgéniques (Tg) et qui se traduit par une augmentation des espèces réactives de l’oxygène (ROS) et une néphrogenèse perturbée. Les rejetons affectés présentent ainsi des reins plus petits et possédant un nombre inférieur de néphrons à la naissance, et développent une hypertension et des dommages rénaux à l’âge adulte (20 semaines). Dans la première étude, nous avons tenté de réduire la production excessive de ROS dans les reins en développement par la surexpression de la catalase (CAT). Pour ce faire, nous avons croisé les souris CAT-Tg qui surexpriment la CAT dans les cellules des tubules proximaux rénaux (RPTCs) aux souris HoxB7-GFP-Tg afin de générer les souris HoxB7/CAT-GFP-Tg. Nous espérons observer la normalisation du nombre de néphrons et la prévention de l’hypertension et des dommages rénaux observés chez la progéniture issue d’un environnement gestational hyperglycémique. Nous avons observé que la surexpression de CAT dans les RPTCs permet de normaliser la dysmorphogenèse rénale présente chez les embryons de mères diabétiques. À l’âge adulte, la surexpression de CAT dans les RPTCs permet également de réduire la génération des ROS et l’hypertension, tout en améliorant la morphologie et la fonction rénale. Afin de définir les mécanismes impliqués dans ce processus, nous avons étudié le rôle potentiel de Nrf2 (‘nuclear factor-erythroid 2p45 (NF-E2) related factor-2’; un facteur de transcription des gènes antioxidants) et HO-1 (hème oxygénase-1’; une enzyme antioxidante). À la fois Nrf2 et HO-1 sont de forts antioxidants et ont été rapportés comme protecteurs pour le rein. Nous avons observé une surexpression des gènes et protéines Nrf2 et HO-1, en plus d’une translocation nucléaire accrue de Nrf2, dans les RPTCs de la progéniture des mères diabétiques, indiquant que chez les souris surexprimant CAT, Nrf2 et HO-1 sont tous deux bien activés et fonctionnels. En conclusion, nos études suggèrent que la surexpression de CAT dans les RPTCs permet de prévenir la programmation de l’hypertension et les dommages rénaux observés à l’âge adulte chez la progéniture issue de mères diabétiques, en partie suite à l’activation du système de défense Nrf2-HO-1 dans leurs reins. Il a déjà été démontré que l’activation du système rénine-angiotensine (RAS) intrarénal induit l’hypertension en augmentant la constriction des artérioles et la réabsorption du sodium par les tubules rénaux. Une activation du récepteur AT1R et de ses voies de signalisation induit également les dommages rénaux observés dans plusieurs pathologies. Dans le cadre de mon second article, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel l’angiotensine (Agt) intrarénale induit l’hypertension et des dommages rénaux en réduisant l’expression de l’aquaporine 1 (AQP1, le canal pour l’eau le plus important dans les RPTCs). Des souris transgéniques surexprimant l’Agt de rat (rAgt-Tg) dans leurs RPTCs et des clones stables de cellules immortalisées de tubule proximal de rein de rat (IRPTCs) surexprimant le rAgt (pRSV/rAgt-IRPTC) ont été étudiés. Lorsque comparés aux souris non-transgéniques, les souris rAgt-Tg développent de l’hypertension et des dommages rénaux. Ces changements sont atténués par le traitement avec une double inhibition du RAS (losartan et perindopril). L’expression des protéines AQP1 et HO-1 est réduite dans les RPTCs, tandis que Nrf2 et le transporteur sodique NHE3 sont augmentés, à la fois in vivo et in vitro. Ces changements sont renversés par la double inhibition du RAS chez les animaux expérimentaux. Même si les niveaux de Nrf2 sont élevés, une accumulation cytosolique causée par une augmentation de l’export nucléaire induit par GSK3β se produit et ne parvient donc pas à induire l’expression des gènes en aval comme HO-1, ni à réduire l’expression de l’AQP1. En conclusion, nos résultats suggèrent qu’une déficience en Nrf2 nucléaire mène à une diminution de l’expression de HO-1 et une régulation négative de l’AQP1, jouant un role dans l’hypertension et les dommages rénaux induits par l’Agt intrarénal. L’hypertension et les dommages rénaux sont des maladies très hétérogènes et multifactorielles qui impliquent l’interaction de diverses molécules et voies de signalisations, et sont influencées par plusieurs facteurs environnementaux tels la diète ou la programmation périnatale. Tous ces différents facteurs contribuent à la progression de l’hypertension et des dommages rénaux, rendant les stratégies de traitement d’autant plus complexes. Dans notre étude, nous avons évalué le développement de l’hypertension dans deux circonstances : l’hypertension de la progéniture programmée par le diabète maternel et l’hypertension induite par l’activation du RAS intrarénal. Nous avons démontré que la génération des ROS dans les reins constitue un facteur majeur commun dans nos deux modèles d’hypertension chez la souris. De plus, le gène/facteur de transcription antioxydant Nrf2, sensible aux ROS, joue un rôle important dans le processus. Grâce à une meilleure compréhension des diverses voies qui mènent à la progression de l’hypertension, nous espérons qu’il sera possible de développer de meilleurs traitements pour faire face à l’hypertension. / The term ‘perinatal programming’ is used to describe the phenomenon that maternal adverse environment during pregnancies which have profound influences to their offspring later in life. And this concept is well accepted. Previously, we successfully created an in vivo murine model and demonstrated that maternal diabetes constitutes an adverse in utero environment that may fundamentally impair nephrogenesis and subsequently program of the offspring to develop hypertension and kidney injury in adulthood. It appears that enhanced reactive oxygen species (ROS) generation, activation of the nuclear factor-kappa B (NF-kB), intrarenal renin- angiotensin system (RAS) and p53 pathways were involved in the underlying mechanisms. In our first study, we investigated whether overexpression of catalase (CAT) in renal proximal tubular cells (RPTCs) could prevent the perinatal programming of hypertension and kidney injury in male offspring of diabetic dams and examined the potential underlying mechanisms both in vivo and in vitro. Our data demonstrate that CAT overexpression in RPTCs exert a direct effect on nephrogenesis in utero and ameliorate maternal diabetes- induced dysnephrogenesis. And further consequently, CAT overexpression in RPTCs preventing maternal diabetes-induced perinatal programming, mediated at least in part, via the nuclear factor-erythroid 2p45 (NF-E2) related factor-2 (Nrf2)- heme oxygenase (HO)- 1 defense system. Intrarenal RAS activation has attracted more attention in recent years due to studies have been reported that activation of the intrarenal RAS can elicit hypertension and kidney injury independently from the systemic RAS. Previously, we established a murine model (Agt-Tg) that specifically overexpress rat angiotensinogen (Agt) in their RPTCs and develops hypertension and nephropathy. Aquaporin 1 (AQP1) is the major water channel within renal RPTCs, but whether it has a regulatory role in the development of hypertension and nephropathy remains elusive. Our second study aimed to examine the regulation of AQP1 expression in an intrarenal RAS-induced hypertension and kidney injury, focusing on underlying molecular mechanisms. We believe that both our in vivo and in vitro studies identified a novel mechanism(s) in which Agt overexpression in RPTCs enhances cytosolic accumulation of Nrf2 via the phosphorylation of pGSK3β Y216. Consequently, less intranuclear Nrf2 is available to trigger HO-1 expression as a defense mechanism and subsequently diminishes AQP1 expression in RPTCs. In conclusion, our data suggest that Agt mediated-downregulation of AQP1 and Nrf2 signaling may play an important role in intrarenal RAS-induced hypertension and kidney injury. Hypertension and kidney injury is a heterogeneous and multifactorial disease that involves the interaction of various molecules/pathways and the influence of environmental factors, for instance, diet and perinatal programming. Such diverse causes contribute to the progression of hypertension and kidney disease, making the strategy of treatment even more complex. In our present study, we evaluated the development of hypertension under two circumstances: maternal diabetes-programmed hypertension in offspring and intrarenal RAS activation-induced hypertension. We found that ROS generation in the kidneys is a major and common factor in both hypertensive mice model. Also, the ROS-sensitive antioxidant gene/transcription factor – Nrf2, plays an important role in the process. By understanding the pathways that lead to hypertension progression, we can hopefully develop more effective treatments to cope with the disease.