Summary<p>Immune homeostasis relies on a subtle balance between fight towards pathogens and inhibitory mechanisms that prevent inappropriate responses against self and environmental antigens (allergy). Regulatory T (Treg) cells play a central role in this balance. Optimizing Treg effects represents a promising approach for new stratetiges aiming to induce or restore tolerance against allo or self antigens. The first part of this work demonstrates that CD4+ lymphocytes that secrete IL-17A (Th17) promote allograft rejection in a murin model of skin transplantation with minor antigen disparities. Interestingly, Treg cells strengthen rather than inhibit Th17 effector mechanisms in this model. Indeed, we found that in vivo Treg depletion prevented IL-17 production by recipient T cells. An adoptive cotransfer of Treg with naive monospecific antidonor T cells in lymphopenic hosts biased the immune response towards a dominant Th17 phenotype. Finally, we observed that IL-6 was central for balancing Treg and Th17 cells as demonstrated by the prevention of Th17 differentiation, the enhanced Treg/Th17 ratio, and rejection blockade in the absence of IL-6. In conclusion, the ability of Treg to promote a Th17 pathway of rejection we described should be considered as a potential drawback of Treg-based cell therapy.<p>Based on the hypothesis that Treg promote Th17 immune response, we tested the effect of IL-17A neutralization in a model in which long-term skin allograft survival depends on a transient in vivo Treg expansion induced by exogenous IL-2. As expected, IL-2 administration prevented rejection of MHC class II disparate skin allografts. Surprisingly this treatment was inefficient in IL17A-/- recipients. We attested that IL-17A was not required for IL-2-mediated Treg expansion, recruitment or suppressive capacities. Instead, IL-17A prevented allograft rejection by inhibiting Th1 alloreactivity independently of Treg. Indeed, T-bet expression of naïve alloreactive CD4+ T cells and the subsequent Th1 immune response was significantly enhanced in IL-17A deficient mice. Our results illustrate, to our knowledge, for the first time a protective role of IL-17A in CD4+-mediated allograft rejection process.<p>In the last part of this work, we used the same mouse model of MHC class II-mismatched skin grafts in which long-term acceptance is achieved by a short-term administration of exogenous IL-2. We first confirmed that Tregs play a central role in preventing skin graft rejection as attested by the prompt donor skin destruction occuring after Treg cell depletion.<p>In the context of IL-2-mediated anti-rejection therapy, concomitant costimulatory blockade with CTLA4-Ig paradoxically restored skin allograft rejection and Th1 alloreactivity indicating that Treg-mediated suppresion absolutely required CD28-B7 or CTLA4/B7 interactions. Further experiments showed that CTLA4-Ig inhibited IL-2-driven Treg expansion, and prevented in particular the occurrence of ICOS+ Treg endowed with potent suppressive capacities. Restoring CD28 signaling was sufficient to counteract the deleterious effect of CTLA4-Ig on Treg expansion and functionality, in keeping with the hypothesis that costimulatory blockade inhibits Treg expansion and function by limiting the delivery of essential CD28-dependent signals. Inhibition of regulatory T cell function should therefore be taken into account when designing tolerance protocols based on costimulatory blockade.<p> <p>RÉSUMÉ<p>Le bon fonctionnement du système immunitaire résulte d’un équilibre entre les réponses immunes « effectrices » qui luttent contre les pathogènes et des mécanismes « régulateurs » permettant de les contrôler. Parmi ces mécanismes inhibiteurs, les lymphocytes T régulateurs (Treg) jouent un rôle crucial. En empêchant le débordement des réponses effectrices, ils préviennent l’apparition des allergies et des maladies auto-immunes ou inflammatoires. Dès lors, il est aisé d’imaginer le potentiel thérapeutique de ces cellules pour contrecarrer les phénomènes autoimmuns ou les réponses allogéniques responsables du rejet en transplantation. C’est donc l’étude des Treg chez la souris qui se trouve au centre des nos préoccupations dans ce travail.<p>Dans la première partie, nous avons démontré le rôle des lymphocytes CD4+ sécréteurs d’IL-17A (Th17) dans le rejet de greffe de peau présentant une disparité d’antigène mineur de transplantation. Dans ce modèle de rejet « Th17 », les données indiquent que, contrairement aux lignées Th1 et Th2, la réponse Th17 est favorisée par les Treg renversant ainsi le paradigme absolu du « Treg inhibiteur ». En effet, la déplétion des Treg dans notre modèle abolit l’expression des gènes caractéristiques de la voie Th17. De plus, dans un système de transfert adoptif chez la souris lymphopénique, l’ajout de Treg à une population T CD4+ effectrice naïve favorise leur différenciation en Th17. Enfin, en invalidant le gène de l’IL-6 dans notre combinaison allogénique mineure, nous avons mis en évidence la place importante de cette cytokine dans le rejet Th17 ainsi que dans la balance Th17/Treg en alloimmunité. <p>En partant du postulat que les Treg favorisent les réponses Th17, nous avons étudié l’impact de la déficience en IL-17A dans un modèle de greffe de peau réalisée en présence de quatités acrues de Treg. Pour cela, nous avons utilisé un modèle de rejet induit par une disparité isolée du CMH II au cours duquel les Treg sont amplifiés par l’injection d’IL-2 exogène durant les trois premiers jours de greffe. Dans ce système, l’expansion transitoire des Treg chez le receveur « sauvage » bloque le rejet dans 75% des cas jusqu’au jour 60 après la greffe sans le moindre traitement immunosuppresseur. Contre toute attente, l’absence d’IL-17A dans ce système restaure le rejet (receveurs IL-17A-/-). Nous avons démontré que l’IL-17A n’est pas requise pour l’expansion, la migration ou la fonction des Treg amplifiés par l’IL-2. En fait, les résultats suggèrent que l’IL-17A bloque le rejet en inhibant la réponse Th1 indépendamment des Treg. Ce point est appuyé par l’exacerbation de la voie Th1 chez le receveur IL-17A-/- et l’inhibition de l’expression de T-bet sous l’influence de l’IL-17A en culture mixte lymphocytaire. Paradoxalement, cette partie du travail rapporte donc un effet protecteur de l’IL-17A illustrant toute la complexité des rôles joués par cette cytokine. <p>La dernière partie du travail utilise le même modèle de greffe de peau allogénique (disparité du CMH II) dans lequel le rejet aigu est bloqué par l’expansion in vivo des Treg induite par l’IL-2 exogène. Nous avons confirmé que l’acceptation à long terme des greffons repose sur les propriétés inhibitrices des Treg amplifiés. Cette inhibition du rejet nécessite impérativement l’intégrité des interactions survenant entre les Treg et les cellules présentatrices d’antigènes du receveur via les molécules B7/CD28. L’ajout de CTLA4-Ig, un immunosuppresseur bloquant les interactions de ces molécules, conduit invariablement à l’accélération paradoxale du rejet. Cet effet pro-inflammatoire du CTLA4-Ig, s’explique par une action délétère sur la survie et la qualité des Treg. En conclusion, les données expérimentales obtenues dans ce dernier volet démontrent l’effet délétère potentiel de ce type de traitement dans les protocoles d’induction de tolérance basé sur l’emploi des Treg.<p> / Doctorat en sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le cuivre (Cu) est un nutriment essentiel à la vie des organismes mais aussi, lorsqu’il est présent en excès, un constituant toxique de la cellule. Pour faire face à des concentrations élevées en Cu dans l’environnement, les plantes ont développé des mécanismes complexes d’homéostasie et de tolérance au Cu. L’objectif de ce travail est d’apporter une contribution à la compréhension de ces mécanismes en utilisant la plante modèle Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, nous avons montré que l’excès de Cu2+ entraînait une réorganisation de l’architecture du système racinaire caractérisée par une inhibition de la croissance de la racine primaire et l’augmentation de la densité de racines latérales. Nous avons mis en évidence plusieurs processus métaboliques qui pourraient être impliqués dans cette réorganisation, tels que des changements dans l’homéostasie minérale, le statut hormonal, et la production de lignine. Une approche de génétique classique a ensuite été entreprise afin de mieux comprendre les composants moléculaires impliqués dans cette réponse. Un criblage de mutants a été effectué sur excès de Cu2+ dans le but d’isoler des mutants présentant un phénotype racinaire altéré par le Cu2+. Un mutant sensible au Cu2+ (appelé cop29) a été sélectionné en raison de sa forte inhibition de croissance racinaire sur excès de Cu2+. Le clonage positionnel du mutant, combiné avec des approches génomiques, a permis d’identifier le gène At3g14190 comme étant le gène muté responsable du phénotype de cop29. Ce gène encode une protéine de fonction encore inconnue. La caractérisation phénotypique de cop29 a révélé que le mutant était également sensible à l’excès de Zn2+, Mn2+ et Na+. De plus, nous avons montré qu’en présence d’un excès de Cu2+ ou de NaCl le mutant présentait des concentrations en K+ significativement plus faibles que le type sauvage. Etant donné que le maintien de l’homéostasie du K+ joue un rôle essentiel dans la tolérance des plantes à l’excès de Cu ou de NaCl, nous avons émis l’hypothèse que ces faibles concentrations en K+ pourraient être la cause du phénotype de cop29. Par ailleurs, l’utilisation des banques de données génomiques et protéomiques a mis en avant que la protéine COP29 pourrait également jouer un rôle dans la régulation du cycle cellulaire. Les perspectives consisteront à découvrir la fonction de la protéine COP29 et contribueront ainsi à mettre en évidence un nouveau composant moléculaire impliqué dans la tolérance des plantes aux stress. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Caractérisation de CCX2, un élément de la super-famille des antiports cationiques CaCA et de son rôle dans l’homéostasie minérale.<p><p>L'homéostasie des métaux est importante pour les fonctions cellulaires. Elle dépend de la régulation stricte des transports cellulaires d'ions métalliques et des espèces métalliques complexées. Nous rapportons ici l'analyse fonctionnelle chez Arabidopsis thaliana d'un élément de la superfamille CaCA, CCX2 (Calcium Cation eXchanger 2) qui n’est pas encore caractérisé dans les plantes. Nous avons pu observer en utilisant une fusion aves la protéine fluorescente GFP (Green Fluorescent Protein) que la protéine AtCCX2 était localisée dans le réticulum endoplasmique. L’expression de CCX2 est régulée par des traitements en métaux divers et par la carence en magnésium en particulier. De plus, l'expression du gène est régulée par la photopériode mais n’est probablement pas sous le contrôle de l'horloge circadienne. La caractérisation d'un mutant knock-out d’Arabidopsis a révélé que l’absence de l’activité CCX2 entrainait une meilleure croissance pendant la carence Mg (dans les conditions testées) mais pas de phénotype particulier sur les milieux aves excès de Zn ou de Cd ou induisant un stress osmotique. A ce stade, nous de pouvons apporter une explication au phénomène de tolérance pendant la carence Mg. Par ailleurs, le mutant ccx2 montre une réponse altérée à des hormones telles l’auxine et l’éthylène. Parce ce que le phénotype ccx2 mutant est relativement discret, des doubles mutants avec les gènes homologues les plus proches (CCX1 et CCX3) ont été créés. Alors que les mutants ccx1 et ccx3 sont plus résistants à la carence en Mg et ccx1 plus résistant à la déficience Zn, aucun effet additif de ces mutations avec la perte de fonction de CCX2 n’a été observé. Les profils en minéraux du mutant ccx2 ne permettent pas de confirmer des différences significatives dans les concentrations d’éléments minéraux mesurés. Des tendances pour le Ca2+ en particulier sont observées et devraient être confirmés par d’autres expériences. La surexpression hétérologue dans la levure ou dans une suspension de cellules BY2 de tabac, la surexpression dans la plante et la production de protéine pour des études d’activité de transport dans des vésicules n’ont pu être possibles pour la caractérisation de CCX2. L’expression de CCX2 semble toxique pour les bactéries, la levure et les cellules de plantes; en effet les organismes hôtes sont morts lors de l'induction de l'expression (testé au niveau de la levure). Cet effet pourrait être lié à la perturbation de l’homéostasie du Ca2+ qui joue un rôle très important comme messager secondaire lors de la perception d’un stimulus et en particulier lors de l’apoptose. L’Analyse AhCAX8/CCX2 AhCCX2 est constitutivement plus exprimé dans les racines de l’hyperaccumulatrice de Zn et Cd, Arabidopsis halleri (accession d’Auby) par rapport à sa parente proche non tolérante non accumulatrice A. lyrata ssp petraea. L'expression plus élevée pourrait être liée à l'adaptation aux hautes concentrations de zinc et de cadmium dans le sol. Nous avons pu observer qu’avec une protéine GFP, AhCCX2 est également localisée au niveau du réticulum endoplasmique comme son homologue AtCCX2. Puisque une haute expression de CCX2 est toxique pour les organismes, nous avons exprimé la protéine sous le contrôle de son propre promoteur dans A. thaliana. Cette expression faible et spécifique a pu être atteinte sans signe de toxicité. La caractérisation de A. thaliana exprimant AhCCX2 dans le type sauvage ou le mutant ccx2 a montré une meilleure croissance lors d’une déficience Mg et, dans les plantes ccx2 qui expriment AhCCX2, une moins bonne croissance lors d’une carence en Zn. Les analyses minérales des plantes exprimant AhCCX2 n’ont pas montré de différence au niveau des concentrations en minéraux. Cependant, certaines tendances ont été observées pour les concentrations en Ca, Fe et Zn qui doivent être confirmées. Nos données suggèrent pour AhCCX2 un rôle dans l'homéostasie du Zn. Un niveau d'expression élevé d’AhCCX2 a un impact négatif sur la croissance lors d’une carence en zinc et pourrait être une partie des adaptations à un approvisionnement en Zn élevé. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous avons généré des souris déficientes pour les gènes codant pour les échangeurs Na/Ca de type I (NCX1) et de type III (NCX3) afin d'étudier, in vivo, le rôle de ces deux protéines.<p>L‘analyse phénotypique des souris adultes totalement déficientes pour le gène Ncx1 (Ncx1-/-) n'a pu être menée étant donné que ces souris décèdent au cours du développement embryonnaire.<p>Les souris déficientes pour le gène Ncx3 (Ncx3-/-) sont viables et fertiles. Nous avons analysé l'effet de l'inactivation du gène Ncx3 dans le muscle squelettique et plus particulièrement au niveau de la jonction neuromusculaire.<p>L'analyse histologique des muscles squelettiques de souris Ncx3-/- a révélé des altérations des fibres musculaires caractérisées par la présence de foyers de fibres nécrotiques et d'infiltrats de cellules mononuclées.<p>L'analyse électromyographique classique a montré un électromyogramme anormal du muscle gastrocnémien de souris Ncx3-/-, révélant une affection neuromusculaire pré- et post-synaptique caractérisée par (i) la petitesse de l'amplitude de la réponse M au repos, (ii) le décrément après stimulation répétitive à basse fréquence, (iii) l'incrément après stimulation répétitive à haute fréquence et (iv) la facilitation post-exercice. L'électromyographie à fibre unique a révélé une MCD élevée et des blocages anormaux de la transmission neuromusculaire, reflétant une atteinte post-synaptique de la jonction neuromusculaire chez les souris Ncx3-/-. L'ensemble de ces anomalies électromyographiques sont les caractéristiques du syndrome myasthénique de Lambert-Eaton.<p>Finalement, pour déterminer les conséquences de l'inactivation du gène Ncx3 sur l'activité physique des souris Ncx3-/-, nous avons réalisé des tests comportementaux sur ces souris. Ces tests ont permis de détecter un épuisement et une faiblesse musculaire accrus à l'effort chez ces souris.<p>En conclusion, nos observations montrent que les souris Ncx3-/- présentent des anomalies électromyographiques similaires à celles du syndrome myasthénique de Lambert-Eaton. Ces résultats suggèrent que l'échangeur NCX3 est peut-être impliqué dans la pathogenèse de certaines formes de cette maladie.<p>Des études supplémentaires afin de confirmer notre hypothèse devront donc être réalisées.<p>/<p>We produced and analyzed mice deficient for Na/Ca exchanger 3 (NCX3), a protein which mediates cellular Ca2+ efflux (forward mode) or Ca2+ influx (reverse mode) and thus controls intracellular Ca2+ concentration. NCX3-deficient mice (Ncx3-/-) present a skeletal muscle fiber necrosis and a defective neuromuscular transmission, reflecting the absence of NCX3 in the sarcolemma of the muscle fibers and at the neuromuscular junction. The defective neuromuscular transmission is characterized by the presence of electromyographic abnormalities including low compound muscle action potential amplitude, a decremental response at low frequency nerve stimulation, an incremental response and a prominent post-exercise facilitation at high frequency nerve stimulation as well as neuromuscular blocks. The analysis of quantal transmitter release in Ncx3-/- neuromuscular junctions revealed an important facilitation superimposed on the depression of synaptic responses and an elevated delayed release during high frequency nerve stimulation. It is suggested that Ca2+ entering nerve terminals is cleared relatively slowly in the absence of NCX3, thereby enhancing residual Ca2+ and evoked and delayed quantal transmitter release during repetitive nerve stimulation. Our findings indicate that NCX3 plays an important role in vivo in the control of Ca2+ concentrations in the skeletal muscle fibers and at the neuromuscular junction.<p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les études basées sur l’utilisation de modèles murins de la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) portent très souvent sur des stades symptomatiques ou pré-symptomatiques. Des données existent cependant montrant que des altérations morphologiques des motoneurones existent aux stades post-nataux, suggérant que la SLA pourrait être une maladie neurodéveloppementale. Dans ce travail de thèse basé sur l’utilisation du modèle murin SOD1G93A de la SLA, nous avons cherché à savoir si dès le développement des réseaux moteurs, des perturbations existaient notamment au niveau de la mise en place des inhibitions, c'est-à-dire au niveau de l’homéostasie chlorure. En effet, nous pensons qu’une mauvaise construction du réseau pendant la vie embryonnaire serait la cause des dysfonctionnements observés lors de la survenue de la SLA. Nos données mettent en évidence que la morphologie des motoneurones est modifiée chez les embryons SOD1G93A au stade de développement E17,5 par rapport aux embryons WT et que cette modification de morphologie induit une hyperexcitabilité. De plus, nous montrons une altération du potentiel d’équilibre des ions chlorure (ECl) due à une modification de l’équilibre de la balance des co-transporteurs NKCC1/KCC2. Enfin, nous avons cherché à savoir si une modification du ECl avait une conséquence fonctionnelle au niveau de la mise en place de l’activité locomotrice exprimée par le réseau spinal lombaire. En conclusion, les travaux de cette thèse démontrent pour la première fois un déficit développemental au niveau du modèle murin SOD1G93A et ouvre des perspectives sur la recherche des mécanismes de compensations opérant jusqu’à la survenue du phénotype de la maladie. / Most studies based on the use of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) mouse models focus on symptomatic or presymptomatic periods. However, morphological alterations of ALS motoneurons have been described in post-natal stages, suggesting that ALS could be a neurodevelopmental disease. In this PhD Thesis, based on the use of the SOD1G93A mouse model of ALS, we tried to know if during the embryonic development of the spinal motoneuronal networks, alterations occur particularly at the level of the maturation of GABA/Glycine inhibition, driven by the chloride homeostasis. Indeed, we believe that a wrong construction of the motor network during the embryonic life may be the cause of the troubles observed at the onset of ALS. Our data show that the morphology of motoneurons is altered in E17,5 SOD1G93A embryos compared to WT embryos and that this changes in morphology induced hyperexcitability. In addition, we show an alteration of the equilibrium potential of chloride ions (ECl) due to a modification of the balance of NKCC1/KCC2 chloride co-transporters. Finally, we tried to know if a modification of the ECl had functional consequences in the development of locomotor activity expressed by the lumbar spinal network. In conclusion, the work of this PhD Thesis demonstrates, for the first time, a developmental deficit in the SOD1G93A mouse model and opens new perspectives based on understanding compensatory mechanisms occuring until the appearance of the disease.

La survie des cellules T naïves est essentielle au bon fonctionnement du système immunitaire à long terme. Les rats BBDP (Bio-breeding Diabetes prone) sont caractérisés par une haute prédisposition au développement du diabète ainsi que par une diminution significative du nombre de cellules T naïves. Ces rats comportent une mutation de type décalage de lecture dans le gène codant pour «GTPase Immunity-Associated Protein 5» (Gimap5) ce qui entraine l’apoptose des lymphocytes T. Le mécanisme par lequel la déficience de la protéine GIMAP5 conduit les cellules T à la mort est actuellement méconnu. GIMAP5 a également été associée à différentes maladies auto-immunes, ce qui suggère son influence dans l'homéostasie des lymphocytes T. Des résultats antérieurs de notre groupe de recherche ont montré que l'absence de GIMAP5 entraîne une diminution du flux de Ca2+ ainsi qu’une réduction de la capacité mitochondriale à emmagasiner du Ca2+ suite à la stimulation du TCR. Cependant, GIMAP5 n'est pas une protéine mitochondriale. Afin de mieux comprendre le rôle de GIMAP5 dans la biologie des cellules T, au cours de mes études doctorales, je me suis concentré sur la localisation cellulaire de la protéine ainsi que sur son rôle dans l'homéostasie du Ca2+. Comme modèle d’étude, j'ai établi des lignées cellulaires HEK293T stables pour l’expression de GIMAP5, ainsi que pour différents mutants et variantes de la protéine. Ceci m’a permis d’élucider l'importance du domaine transmembranaire (TM) pour la localisation et le rôle physiologique de GIMAP5 ainsi que la différence entre les deux variantes de cette protéine. Mes résultats ont permis de montrer que l'expression de Gimap5 ne semble pas être nécessaire après l’activation des lymphocytes T. En parallèle, j'ai confirmé nos observations antérieures qui démontrent l’influence de GIMAP5 dans l'homéostasie du Ca2+ et sa colocalization avec les microtubules. En outre, j'ai montré que GIMAP5 se trouve dans des structures de type vésiculaire, particulièrement dans la membrane lysosomale où son domaine TM est essentiel à son bon fonctionnement et localisation. Mes résultats suggèrent que les mitochondries exhibent un défaut dans leur capacité à emmagasiner du Ca2+ au niveau basal, ainsi que suite à l’activation du TCR. Enfin, j'ai démontré pour la première fois, que l'influence de GIMAP5 sur le stockage de Ca2+ lysosomal peut avoir un impact sur la survie des lymphocytes T. D’après ces observations, une des fonctions probables de GIMAP5 serait d’empêcher la fermeture prématurée des canaux de relâche calcique. Finalement, GIMAP5 pourrait être engagé dans des mécanismes visant à prolonger et raffiner la signalisation du Ca2+ dans les cellules T. Bref, la régulation du Ca2+ lysosomal médié par GIMAP5 est essentielle à la survie de cellules T naïves. / Abstract: Healthy and long-term survival of naïve T cells is essential for proper functioning of the immune system. In bio-breeding diabetes prone (BBDP) rats, there is a critical decrease in the number of naïve T cells. In these rats, a recessive frameshift mutation in the GTPase of Immune-Associated Protein 5 (Gimap5) gene induces lymphocytes to undergo spontaneous apoptosis. The death of T cells driven by a deficiency of the GIMAP5 is currently not fully understood. Interestingly, different autoimmune diseases have shown an association with perturbations in the Gimap5 gene, which further suggests its influence in basal lymphocyte homeostasis. Previous findings by our group have shown that the absence of GIMAP5 results in a decrease calcium flux following TCR stimulation and an impaired capacity of the mitochondria to buffer calcium entry. However, GIMAP5 is not a mitochondrial protein. During my Ph.D. studies, I focused on clarifying the cellular localization of GIMAP5 as well as its function in Ca2+ homeostasis in order to further understand its role in T cell biology. As a model, I established HEK293T cells stable for the expression of the different mutants and variants of the GIMAP5 protein. Where I uncovered the importance of the transmembrane domain (TM) for GIMAP5 localization and physiological role, as well as the differences between the two variants of GIMAP5. The results obtained show that the expression of Gimap5 is no longer needed after T cells activation. Moreover, our previous observations were confirmed and expanded upon regarding GIMAP5’s influence on Ca2+ homeostasis and colocalization with the cytoskeleton. It was also shown that GIMAP5 localizes to vesicular-like structures, particularly to the lysosomal membrane, where its TM domain is critical for proper functioning and localization. My results suggest that the mitochondria might be impaired to uptake as well as retain Ca2+ at their full capacity in the absence of GIMAP5. Finally, I observed for the first time that GIMAP5’s influence on lysosomal Ca2+ storage could impact lymphocyte survival. These results suggest that GIMAP5 may work as a backup mechanism to prevent premature closure of Ca2+ channels and Ca2+ influx or as a mechanism to prolong and refine Ca2+ signaling in T cells.

Les métaux sont indispensables à la vie cellulaire car ils sont constitutifs des protéines. Les ions Ni, font partie intégrante des hydrogénases, enzymes primordiales pour le métabolisme énergétique. Paradoxalement, en excès, les métaux deviennent toxiques pour la cellule. Les bactéries luttent contre cette toxicité en produisant des systèmes de résistance ou d’adaptation. Les cellules procaryotes peuvent équilibrer les teneurs en métaux en contrôlant leur entrée ou leur efflux grâce à la biogenèse de transporteurs spécifiques. L’objectif de ces travaux de thèse a consisté à comprendre les mécanismes principaux permettant à la bactérie modèle Escherichia coli de s’adapter à de fortes variations en ions métalliques, en prenant comme modèle un stress provoqué par un excès d’ions Ni. Afin d’appréhender l’ensemble de la réponse cellulaire, l’effet de ce stress a été évalué sur l’expression de l’ensemble des gènes d’E. coli par des approches de transcriptomique couplées à une validation fonctionnelle. L’excès d’ions Ni induit le système d’efflux RcnRAB. En plus de la pompe d’efflux RcnA, ce système comporte une protéine périplasmique, RcnB, qui module le trafic des ions Ni ou Co via RcnA. Ces travaux ont montré que RcnB n’interagit pas avec les ions Ni ou Co mais de façon inattendue avec les ions Cu, définissant une nouvelle classe de cupro-protéines. Nous montrons que si RcnB n’intervient pas dans le contrôle de l’homéostasie du Cu, l’interaction avec ces ions est essentielle à sa fonction dans la modulation de l’efflux des ions Ni et Co. Ces résultats suggèrent des connexions entre les différents systèmes de maintien des homéostasies métalliques. Les résultats d’analyse transcriptomique montrent une forte modulation de l’expression des gènes impliqués dans les homéostasies du Cu et du Fe en présence d’un excès d’ions Ni, corrélée à une augmentation cellulaire de leur teneur mesurée par spectrométrie plasma. Ces métaux sont responsables de la production d’espèces réactives oxygénées entraînant de sérieux dégâts cellulaires, une des cibles privilégiée étant l’ADN. Nous montrons que les ions Ni ne provoquent pas de cassures de l’ADN et n’ont pas d’effet mutagène, par contre ils provoquent une modification importante de l’état de repliement de l’ADN. Nous proposons que ce relâchement de l’ADN soit dû à l’induction indirecte d’un stress oxydant. Ces travaux ont aboutis à l’identification du premier système de transport spécifique des ions Ni à travers la membrane externe chez E. coli. En résumé, un excès d’ions Ni affecte les systèmes spécifiques d’entrée et d’efflux des ions métalliques troublant les teneurs intracellulaires des autres métaux comme le Cu et le Fe. Ces métaux sont en partie responsables de la production de ROS létaux pour les cellules bactériennes. L’excès de Ni va induire une profonde reprogrammation génétique entraînant des changements physiologiques multifactoriels importants pour la survie bactérienne dans ces conditions de stress. / Metals are necessary components of all living cells because they are constitutive of many essential proteins. Nickel, for example, is required for hydrogenase activity, which is essential for the energetic metabolism. However, metals become toxic when present in excess. Prokaryotes can overcome this toxicity by using several systems of resistance or adaptation. Import systems must be repressed whereas export pathways activated. This work consists in bringing out the principal strategies established by Escherichia coli for accommodating a stress caused by an excess of Ni ions. In order to understand the cellular response, the effect of nickel stress has been evaluated in E. coli by a transcriptomic approach coupled to functional validation. Excess Ni induces the biosynthesis of the efflux system RcnRAB. In addition to the RcnA efflux pump, this system contains a periplasmic protein called RcnB. This protein modulates Ni and Co traffic. RcnB displayed no Ni or Co binding capacity but was shown to bing Cu ions. RcnB was characterized as a new family of cupro-protein. We showed that RcnB is not involved in the control of Cu homeostasis but that Cu binding is essential for its Ni and Co efflux function. Our results suggest connections between different systems of metals homeostasis. Indeed, RNA-Seq data analysis revealed that exposure to Ni induces strong variations of the expression of genes involved in Cu and Fe homeostasis. Our results correlated with an increase of intracellular Cu and Fe pools as assayed by plasma spectrometry. Both metals are involved in reactive oxygen species (ROS) production and generate serious cell damages, targeting DNA for example. We showed that Ni ions do not trigger DNA breakage and are not mutagenic. On the other hand, Ni stress has a strong effect on DNA folding. We propose that excess Ni causes DNA relaxation by the indirect induction of oxidative stress. Furthermore, we identified the first transport system specific for Ni ions localized in the outer membrane. This system, composed of YddA and YddB, allows the transfer of Ni ions accross the two membranes. The genes encoding these proteins are expressed in conditions evocative of a biofilm lifestyle. Moreover, this work showed that Ni stress promotes biofilm growth instead of a planktonic one. Indeed, in the presence of an excess of Ni ions, genes encoding flagella are down regulated whereas genes encoding adherence structures are up regulated. To conclude, an excess of Ni ions affects specific metals import and efflux systems unbalancing intracellular Fe and Cu contents. These metals in turn generate ROS that are toxic for the bacterial cells. Ni stress induces large transcriptomic modifications causing major physiological changes important for the survival of the bacteria.

L’ADKP est la 5e cause de décès par cancer dans le monde occidental, et il est estimé qu’il constituera la 2e cause de mort par cancer d’ici à 2030. Le taux de survie à 5 ans est inférieur à 4%, et la médiane de survie est d’environ 6 mois. Ce pronostic sombre est dû à une pathologie asymptomatique dans les phases précoces du développement tumoral, résultant en un diagnostic tardif. Les tumeurs primaires sont constituées de structures épithéliales néoplasiques entourées par un stroma abondant empêchant l’accès des chimiothérapies aux cellules tumorales. La compréhension des mécanismes d’initiation et de progression tumorale est donc primordiale pour développer de nouvelles stratégies visant à la détection et à la prise en charge thérapeutique optimale des patients atteints d’ADKP. Le TGFbeta est une cytokine assurant de nombreuses fonctions physiologiques comme la régulation de l’immunité, la cicatrisation, le développement ou encore l’angiogenèse. Les résultats présentés dans ce manuscrit mettent en évidence que l’activation de la voie de signalisation TGFbeta perturbe la différenciation des cellules acineuses au cours du développement, et perturbe l’identité acineuse lorsqu’elle est activée dans le pancréas chez l’adulte. L’induction en parallèle de l’apoptose des cellules acineuses et d’une métaplasie acino-canalaire (ou ADM) mène à la disparition quasi-totale du tissu acineux au profit de structures canalaires typiques d’un pancréas en régénération. Lorsque l’oncogène KRASG12D est exprimé en parallèle dans le tissu pancréatique chez l’adulte, ce tissu canalaire régénératif est mis à profit par KRAS pour le développement précoce de lésions pré-néoplasiques. Mes travaux au sein de l’équipe du Dr. Laurent BARTHOLIN permettent donc de démontrer in vivo un nouveau rôle du TGFbeta dans la carcinogénèse pancréatique / PDA is the 5th cause of cancer related death in the western countries, and is estimated to move the second rank by 2020. The 5-year survival rate is less than 4%, and the median survival is around 6 months. The poor prognostic of this tumor is due to asymptomatic early phases of the disease, resulting in a late diagnosis. Primary tumors are composed by ductal neoplastic lesions embedded into a highly abundant stroma that prevents the access of chemotherapeutic drugs to the tumor cells. Thus, understanding tumor initiation and progression mechanisms is needed to develop new strategies aiming at detecting and taking care of patients in the most optimal manner. TGFbeta is a cytokine playing several physiological functions such as immunity regulation, wound healing, development or angiogenesis. Results presented in this manuscript demonstrate that activation of TGFbeta signaling disturb acinar cell differentiation during development, and disrupts acinar cell identity when activated in the adult pancreas. The simultaneous induction of acinar cell apoptosis and ADM leads to the massive loss of acinar cells and the emergence of ductal structures typical of pancreas regeneration. When the KRASG12D oncogene is expressed in combination with the activation of TGFbeta signaling, these regenerative duct structures are harnessed by KRASG12D to develop early neoplastic lesions. Thus, my work in Dr. Laurent BARTHOLIN’s team demonstrates a new function of TGFbeta in pancreatic carcinogenesis in vivo

L’homéostasie énergétique se définit comme le maintien de l’équilibre entre les apports et les dépenses d’énergie. La régulation nerveuse de cet équilibre est principalement assurée par l’hypothalamus. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés dont l’activité électrique est modifiée par des signaux nerveux, métaboliques et hormonaux.Nous avons travaillé sur la détection du glucose dans cette structure, qui permet l’élaboration d’une réponse adaptée en termes de prise alimentaire et de contrôle du métabolisme. Lors de cette détection, l’utilisation du glucose conduit à la formation d’Espèces Actives de l’Oxygène d’origine mitochondriale (mEAOs) par la chaîne respiratoire mitochondriale (CRM), constituant une signalisation redox indispensable aux réponses physiologiques. De récentes études in vitro (cultures de myoblastes, hépatocytes) ont par ailleurs mis en évidence le rôle de la dynamique mitochondriale, qui contrôle la morphologie des mitochondries par des mécanismes de fission et de fusion, sur la production de mEAOs induite par une hyperglycémie. Cette dernière déclenche la fission des mitochondries de façon concomitante à la production de mEAOs. En revanche, le blocage de la fission empêche la production de mEAOs lors de l’hyperglycémie dans ces cultures. Ces études suggéraient donc que la fission soit déclenchée par l’hyperglycémie et permette alors la production de mEAOs. Mon projet de thèse a consisté à déterminer l’implication de la dynamique mitochondriale dans la signalisation mEAOs lors de la détection hypothalamique du glucose. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence, dans un premier temps, un adressage de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie dans l’hypothalamus lors d’une hyperglycémie cérébrale, évènement nécessaire au déclenchement de la fragmentation des mitochondries. Cette fragmentation est confirmée en imagerie où l’analyse morphologique montre des mitochondries plus petites, plus sphériques et moins allongées que celles des témoins. Dans un deuxième temps, nous avons déterminé l’implication de cette fission mitochondriale dans la détection hypothalamique du glucose. Son importance a pu être évaluée en bloquant la fission des mitochondries par l’inhibition de l’expression de la protéine de fission DRP1 spécifiquement dans le VMH, par interférence ARN. Cette stratégie nous a permis d’obtenir une inhibition de l’expression de DRP1 de près de 80%, 72h après l’injection. Cette inhibition est localisée au VMH et a pour conséquence une élongation des mitochondries qui présente un réseau mitochondrial plus filamenteux. L’étude du phénotype des animaux a mis en évidence une hyperphagie associée à l’inhibition de la fission mitochondriale dans le VMH. Cette hyperphagie n’entraine cependant aucune modification du poids corporel. Ceci suggère une augmentation des dépenses énergétiques chez ces animaux. De plus, ils présentent une perte de sensibilité hypothalamique au glucose qui conduit à un défaut du contrôle nerveux de la sécrétion d’insuline, ainsi qu’à une perte de l’effet satiétogène du glucose lors d’un test de réalimentation. Nous montrons que cette perte de sensibilité au glucose est due à un défaut de production hypothalamique des mEAOs en réponse au glucose, production qui est nécessaire à la signalisation responsable des réponses effectrices. Ce défaut de production de mEAOs est associé à un dysfonctionnement de la CRM. L’ensemble de ce travail permet donc de montrer pour la première fois, in vivo, que la fission mitochondriale est indispensable à la production hypothalamique de mEAOs lors d’une hyperglycémie cérébrale. Cette production est nécessaire au déclenchement du contrôle nerveux permettant d’une part la sécrétion d’insuline et d’autre part le rassasiement induit par le glucose intra-hypothalamique. / Energetic homeostasis results in the balance between energy intake and expenditure. The hypothalamus plays an important role in the regulation of both energetic metabolism and food intake in sensing hormonal and metabolic signals. For instance, changes in hypothalamic glucose level modulate food intake and insulin secretion. We have previously found that 1) increased hypothalamic glucose level triggers production of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) from the electron transport chain; 2) hypothalamic mROS production is involved in glucose homeostasis and food intake control. The molecular mechanisms involved in glucose-induced hypothalamic mROS production are still unknown. Mitochondrial dynamics control mitochondrial morphology through fission or fusion mechanisms. Recent in vitro studies have shown that mitochondrial fission is involved in glucose-induced myoblasts and hepatocytes mROS production. The main hypothesis of my thesis was that mitochondrial dynamics were involved in 1) hypothalamic glucose-induced mROS signaling and 2) hypothalamic glucose sensitivity.We first showed in vivo that increased hypothalamic glucose level in response to an intracarotid glucose injection induces recruitment of the mitochondrial fission protein DRP1 at the mitochondria and triggers mitochondrial fragmentation. The second part of my work was to determine whether mitochondrial fission is involved in hypothalamic glucose sensitivity. Therefore, we inhibited DRP1 expression in the ventromedial hypothalamus (VMH) by siRNA injection. 72h post siDRP1 injection, VMH DRP1 expression was decreased by 80%. At this time, we found that increased hypothalamic glucose level failed to increase hypothalamic mROS production. In addition, intracarotid glucose injection-induced insulin secretion was decreased. Finally, VMH glucose injection-induced food intake inhibition was attenuated in siDRP1 treated animals. In a last set of experiments, we found ex vivo by oxygraphy that hypothalamic mROS production is associated with electron transport chain dysfunction. Altogether, our work shows for the first time that mitochondrial fission is involved in mROS dependent hypothalamic glucose sensitivity. Furthermore, this work demonstrates that mitochondrial fission plays a critical role in the regulation of glucose homeostasis and food intake.

L’hypothalamus participe au contrôle de l’homéostasie énergétique en détectant les signaux circulants tels que le glucose. L’hypothalamus médiobasal (MBH) en particulier, est capable de détecter l’hyperglycémie afin d’initier des réponses physiologiques adaptées, comme par exemple la sécrétion d’insuline via le système nerveux autonome (par un contrôle vagal). Notre équipe a récemment montré que la détection du glucose nécessite la production d’espèces actives de l’oxygène d’origine mitochondriale (mROS), fortement dépendante de la dynamique mitochondriale (fusion et fission). Récemment, l’étude de modèles génétiques ont permis de faire un lien entre ces évènements dynamiques dans le MBH et le développement de pathologies métaboliques. L’objectif de ma thèse a été tout d’abord été de mettre en place un modèle expérimental présentant uniquement une altération de la détection hypothalamique du glucose induite par l’exposition à un régime gras enrichi en saccharose (HFHS) chez le rat. Après avoir caractérisé ce modèle, nos objectifs ont été de déterminer si l’exposition à ce régime hypercalorique avait un impact sur la dynamique mitochondriale ainsi que la signalisation mROS, via la fonction respiratoire de la mitochondrie dans l’hypothalamus. Nous avons finallement réversé quelques acteurs métaboliques dérégulés, potentiellement impliqués dans la dynamique mitochondriale, dans le but de réverser le phénotype observé chez les rats HFHS. Nos résultats montrent qu’après 3 semaines d’exposition au régime HFHS, les rats ont un poids corporel normal malgré l’augmentation de leur masse grasse, comparés aux rats contrôles. Les rats HFHS présentent aussi une intolérance au glucose et une augmentation de la glycémie basale sans modification de leur insulinémie. La sécrétion d’insuline en réponse à la détection hypothalamique du glucose, mesurée après une injection intra-carotidienne de glucose en direction du cerveau qui induit une hyperglycémie uniquement cérébrale, a été fortement diminuée. Cependant, la capacité sécrétoire des îlots pancréatiques est normale chez les rats HFHS. Ces défauts sont associés à une diminution de la production de ROS dans le MBH en réponse au glucose, sans modification du status redox. L’efficacité de la respiration mitochondriale hypothalamique a été mesurée par oxygraphie, et les résultats montrent une déficience de la respiration mitochondriale chez les rats HFHS. La translocation de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie est diminuée en réponse au glucose, suggérant une diminution de la fission mitochondriale. L’augmentation de l’activation de l’AMPK dans l’hypothalamus n’est pas responsable de l’altération de la détection hypothalamique du glucose car sa réversion avec une injection intracérébroventriculaire (ICV) de composé C, n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. De même, une injection ICV de leptine induisant l’activation de STAT3 n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. Enfin, la diminution de l’activation d’AKT suggère une résistance centrale à l’insuline. Ces résultats démontrent pour la première fois que l’altération hypothalamique de la signalisation ROS, de la fission et de la respiration mitochondriale, sont présent chez les rats exposés pendant 3 semaines à un régime HFHS. Ces défauts précoces hypothalamiques pourraient ainsi participer à un défaut primaire du contrôle de la sécrétion d’insuline, et finallement, à l’installation d’un phénotype diabétique. / The hypothalamus participates in the control of energy homeostasis by detecting circulating nutrients, such as glucose. The mediobasal hypothalamus (MBH), in particular, senses hyperglycemia and initiates physiological responses, e.g., insulin secretion via the autonomous (vagal) nervous system. We have recently demonstrated that glucose sensing requires mitochondrial reactive oxygen species (mROS) signaling heavily dependant on mitochondrial fusion and fission (dynamics). Recently, genetic models have associated some of these dynamics within the MBH to their obesogenic susceptibility. The aims of my thesis were first to establish a model that only presents a hypothalamic glucose sensing defect induced by a high fat high sucrose (HFHS) feeding in rats. After caracterizing this model, our objectives were to determine whether modulating the diet affects mitochondrial dynamics, and thus, mROS signaling, through the mitochondrial respiratory function in the hypothalamus. We finally reversed some dysregulated metabolic signalings potentially involved in mitochondrial dynamics in order to reverse the phenotype observed in HFHS fed rats. Our results demonstrate that after 3 weeks of HFHS feeding, rats had a normal body weight despite an increase in the fat mass compared to control rats. HFHS fed rats displayed also a glucose intolerance, increased fasting glycemia but no modification of fasting insulinemia. Hypothalamic glucose sensing induced insulin secretion, measured after an intra-carotid glucose injection towards the brain that only increases brain glycemia without alteration in peripheral glycemia, was drastically decreased. However, glucose stimulated insulin secretion in isolated islets was not different compared to controls. These defects correlate with a decrease of MBH ROS production in response to glucose, with no modification in the redox status. Efficiency of hypothalamic mitochondrial respiration was evaluated using oxygraphy, and results showed mitochondrial respiratory deficiencies in HFHS fed rats. The fission protein DRP1 exhibited decreased mitochondrial translocation in the MBH in response to glucose, suggesting decreased mitochondrial fission. The increase of AMPK activation in the hypothalamus was not responsible for the alteration of hypothalamic glucose sensing since its reversal with an intracerebroventricular (ICV) injection of compound C failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Likewise, an ICV injection of leptin that induced STAT3 activation also failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Finally, the decrease in AKT activation suggested a central insulin resistance. These results demonstrate for the first time that hypothalamic alteration of mitochondrial ROS signaling, fission and respiration were present in rats exposed to a 3 weeks HFHS diet. Such hypothalamic glucose sensing defects are early events preceding those in islets. These early but drastic hypothalamic modifications could participate in a primary nervous defect of the control of insulin secretion, and finally, the etablishment of a diabetic phenotype.