京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13534号 / 論医博第2274号 / 新制||医||1065(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 滝田 順子, 教授 伊藤 貴浩, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Epilepsy is a neurological disorder that causes recurrent and unprovoked seizures due to imbalances in synaptic transmission in distinct regions of the brain. In both human patients and animal models of epilepsy, there is a marked increase in brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a critical signaling molecule in the brain that contributes to two divergent pathways important to disease pathology: 1) the regulation of type A receptors for the major inhibitory neurotransmitter GABA (GABAARs), and 2) aberrant neurogenesis with ectopic expression of new neurons from progenitor cells that disrupt neural network activity in the hippocampus. The first part of my thesis addresses how neurons regulate levels of α1-containing GABAARs through BDNF signaling at its receptors, tropomyosin receptor kinase B (TrkB) and p75 neurotrophin receptor (p75NTR). I hypothesized and showed that BDNF, working at TrkB, rapidly activates the Janus kinase and signal transducers and activators of transcription (JAK/STAT) pathway in neurons and identified a novel intracellular receptor signaling complex composed of p75NTR and JAK2 that is present in neuronal processes, cell body, and nucleus. Based on this finding, we suggest that an intracellular p75NTR/JAK2 signalsome recruits STAT3, a transcriptional activator of the gene coding for the cAMP inducible early repressor (ICER) that blocks synthesis of α1 subunits reducing synaptic GABAARs in response to status epilepticus. This model is consistent with our collaborative studies that show a JAK2 inhibitor, WP1066, inhibits development of spontaneous seizures in an epilepsy model and my observation that WP1066 degrades JAK2 protein in primary neurons. The second part of my thesis addresses BDNF regulation of the Late SV40 Factor (LSF), a ubiquitous transcription factor that regulates cell cycle progression and survival. I show that BDNF through the mitogen-activated protein kinase pathway selectively phosphorylates LSF at serine 291 (p291LSF) and that p291LSF is present throughout neurogenesis, increases with status epilepticus in the hippocampus, and is highest in structures associated with neurogenesis (such as olfactory bulb and hippocampus when compared to cortex). Taken together, these results suggest LSF may play an important role in neuronal development and potentially in epilepsy, providing an additional target for future therapeutic intervention. / 2016-12-15T00:00:00Z

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The anteroventral periventricular (AVPV) nucleus of the hypothalamus integrates estradiol (E2) and progesterone (P4) feedback signals from the ovaries to stimulate gonadotropin releasing hormone (GnRH) neurons and trigger an ovulatory surge in luteinizing hormone (LH). E2 maintains the daily cyclic LH surge and P4 quickly amplifies the surge and limits it to one day. P4 amplification of the surge and rapid signaling in the AVPV may occur through its non-classical progestin receptors. Previous in vitro studies using a microarray analysis with N42 mouse embryonic hypothalamic neurons suggest that progesterone membrane component 1 (Pgrmc1) regulates genes linked to the janus kinase (Jak)/signal transducer and activator of transcription (Stat) signaling pathway. I hypothesized that P4 alters Jak/Stats through Pgrmc1 regulation of one or more Jak or Stat molecules and then performed a set of in vitro and in vivo studies to test this. I transfected N42 cells with either scramble or Pgrmc1 siRNA followed by treatment with either ethanol vehicle control or 10 nM P4 and measured Jak1, Jak2, Stat3, Stat5a, Stat5b, and Stat6 mRNA levels via quantitative polymerase chain reaction (QPCR). Jak1 and Jak2 mRNAs increased with P4 treatments, and this upregulation required Pgrmc1. Silencing Pgrmc1 in the cells also produced an increase in Jak1 and Jak2 mRNA, suggesting that Pgrmc1 constitutively suppressed jak1 and jak2 in the absence of P4. None of the Stats were significantly regulated by P4 or Pgrmc1 silencing. To determine how Pgrmc1 regulates Jak/Stat in vivo, I took AVPV microdissections from Pgrmc1 and Pgrmc2 double conditional knockout (DCKO) mice and looked at gene expression of jak/stat. Transcript levels of Jak2, but not Jak1, were severely downregulated in the DCKO animals and Stat mRNAs were not significantly changed. Discrepancies from in vitro and in vivo data prompted me to analyze the role of the class II progestin and adipoQ (Paqr) receptors in Jak/Stat signaling. P4 treatments and siRNA experiments in N42 cells showed that Paqr8, but not Paqr7, was required for P4 upregulation of Jak1 and Jak2 mRNAs. Overall, these findings show that Pgrmc1 regulates Jak1 and Jak2 synthesis in a P4-dependent and -independent manner that requires interaction with Paqr8.

Les cellules immunitaires provenant des deux vagues hématopoïétiques jouent des rôles distincts dans la réponse immunitaire, ce qui pose la question d’une potentielle communication entre les deux vagues d’hématopoïèse. De plus, la réponse immunitaire joue un rôle primordial dans la progression des tumeurs. Les cascades inflammatoires telles que la voie JAK/STAT et la voie Toll régulent l’hématopoïèse et les mutations affectant ces voies sont associées à des défauts hématopoïétiques et au développement de cancer du sang chez l’humain. Les deux voies de signalisation sont conservées au cours de l’évolution. La voie Toll a notamment été découverte chez la drosophile. Comme chez les mammifères, les mutations dans ces cascades produisent chez la larve des tumeurs des cellules du « sang » appelées tumeurs mélanotiques qui sont dues à la prolifération et à la présence d’hémocytes à l’état inflammatoire qui s’agrègent et forment des masses noires mélanisées. Au cours de mon doctorat, j’ai caractérisé l’impact de Gcm, le seul facteur de transcription spécifique de l’hématopoïèse primitive, sur la réponse immunitaire innée et l’activation de l’inflammation. Je me suis concentré sur les voies Toll et JAK/STAT en utilisant le modèle de la drosophile. J’ai pu montrer que Gcm inhibe la formation des tumeurs mélanotiques provoquées par l’activation constitutive de l’une ou l’autre voie. Gcm agit en activant l’expression d’inhibiteurs de chacune des deux voies. De plus, mes données montrent pour la première fois l’interaction entre les vagues d’hématopoïèses primitive et définitive, une interaction qui est nécessaire pour monter une réponse inflammatoire efficace. Dans ce système, Gcm inhibe la sécrétion de cytokines pro-inflammatoire Upd2 et Upd3 des hémocytes embryonnaires. Mes résultats indiquent également que Gcm a un impact sur l’expression de gènes mitochondriaux dans un fond génétique qui conduit au développement de tumeurs mélanotiques et à un état inflammatoire. Enfin, j’ai transposé mes résultats à un système mammifère en montrant que chez la souris, Gcm induit l’expression d’inhibiteur de la voie JAK/STAT dans une lignée cellulaire leucémique humaine. Pour conclure, mes données mettent en évidence l’importance de la communication entre les deux vagues d’hématopoïèse dans le système immunitaire et montrent qu’une voie de régulation développementale régule la capacité du système à répondre à l’inflammation. / Immune cells originating from different hematopoietic waves play role in mounting an efficient immune response, which raises the aspect of communication between distinct waves. In addition, immune responses have pivotal roles in modulating tumor progression. Inflammatory cascades, such as the JAK/STAT and Toll pathways are also known to regulate hematopoiesis and mutations in either of them are associated with hematopoietic defects and blood cancers in humans. Both pathways are highly conserved in evolution and interestingly, the Toll cascade was initially discovered in Drosophila. Like in mammals, mutations within these cascades produce the so called “melanotic tumors” in Drosophila larvae, which are due to blood cell proliferation and to the presence of hemocytes in an inflammatory state that aggregate and form black melanized masses. During my PhD, I proposed to decipher the impact of Gcm, the only known transcription factor specific to embryonic hematopoiesis on innate immune response and inflammation, by focusing on the JAK/STAT and Toll signaling cascades in vivo using the simple Drosophila model. I was able to show that Gcm inhibits melanotic tumors formation induced by the over-activation of both the JAK/STAT and Toll cascades. This is mediated by inducing the expression of JAK/STAT and Toll cascades inhibitors. In addition, my data describes for the first time the interaction occurring between the primitive and definitive hematopoietic waves and necessary to trigger an appropriate inflammatory response, where Gcm inhibits the secretion of the proinflammatory cytokines Upd2 and Upd3 from embryonic hemocytes. Moreover, I show that Gcm impacts the molecular landscape of mitochondrial genes in genetic backgrounds that lead to melanotic tumors and to an inflammatory state. Interestingly, I transpose my findings to vertebrates by showing that a GCM murine gene induces the expression of JAK/STAT inhibitors in a human leukemia cell line. In conclusion, my data highlights the importance of hematopoietic wave communication in the immune response and show that a developmental pathway regulates the competence to respond to inflammation.

Les cellules épithéliales changent en forme et en nombre au cours de divers processus morphogénétiques pendant le développement. La dynamique du réseau d’acto-myosine en interaction directe avec les jonctions adhérentes (JA) est à la base de ces mouvements cellulaires. Cependant, les mécanismes qui régulent cette dynamique cellulaire et moléculaire dans l’espace et le temps sont peu étudiés. Durant les stades précoces de l’ovogenèse chez la drosophile, le follicule ovarien est une sphère composée d'un cyste germinal recouvert d'un épithélium folliculaire monocouche d'origine somatique. Aux pôles de cette structure, un groupe de cellules, les Cellules Polaires (CP), sont produites en excès (3-6 cellules) au début de l'ovogenèse, et ensuite subissent une mort cellulaire programmée apoptotique entre les stades 2 et 4 de l’ovogenèse. De cette façon, à partir du stade 5 tous les pôles contiendront 2CP. Les CP sont l’unique source de sécrétion du ligand de la voie de signalisation JAK/STAT, Unpaired. Notre équipe a démontré que l’activation autonome et non-autonome cellulaire de la voie JAK/STAT est nécessaire pour l'apoptose développementale des CP. Grâce à l’utilisation de l’imagerie confocale en temps réel ainsi que sur des tissus fixés, j’ai établi une séquence d’évènements stéréotypés qui a lieu pendant l’élimination des CP surnuméraires. Trois phases ont été identifiées dans cette séquence: 1) une phase lente de remodelage cellulaire dépendante de la voie de signalisation JAK/STAT au cours de laquelle chaque CP à être éliminée est totalement enveloppée par les CP voisines (plus de 7h) ; 2) une phase d’activation de la cascade canonique de l’apoptose, commençant lorsque la PC est entièrement enveloppée, suivie d’un détachement puis d’une extrusion latérale des corps apoptotiques (1h) ; et 3) une phase de phagocytose des corps apoptotiques par les Cellules Folliculaires (CF) voisines (plus de 5h). Ensuite, en utilisant une approche gènes candidats, j’ai effectué des perturbations génétiques de la Myosine, de la Cadhérine et de différents régulateurs de l’Actine dans les CF et/ou dans les CP, ainsi que des analyses de la dynamique de certaines de ces molécules. Ces expériences m’ont permis de déterminer que la fonction de ces molécules est nécessaire dans les CF pour le processus d’élimination des CP surnuméraires. Finalement un lien entre la signalisation JAK/STAT et la dynamique de la Myosine a été mis en évidence. / Epithelial cells change in shape and number over the various morphogenetic processes occurring during development. The dynamics of the acto-myosin network in direct interaction with adherens junctions is the basis of these cell movements. However, the mechanisms regulating these cellular and molecular dynamics in space and time have not been much studied. During the early stages of oogenesis in Drosophila, the ovarian follicle is a sphere composed of a germline cyst surrounded by a mono-layered follicular epithelium of somatic origin. At the poles of this structure, a group of cells, the Polar Cells (PCs), which are produced in excess (3-6 cells) during early oogoenesis, undergo apoptotic programmed cell death between stages 2-4 of oogenesis, thus that as of stage 5 all poles contain exactly 2 PCs. PCs are the only source of the secreted ligand of the JAK/STAT signaling pathway, Unpaired. Our group has demonstrated that cell autonomous and cell non-autonomous activation of the JAK/STAT pathway is necessary for this developmental apoptosis. Through the use of confocal imaging in real time and on fixed tissues, I established a stereotyped sequence of events that occurs during the elimination of supernumerary PCs. Three phases were identified in this sequence: 1) a slow phase of cellular remodeling dependent on JAK/STAT signaling in which the PC to be eliminated is completely enveloped by its PC neighbors (more than 7 hours); 2) activation of the canonical apoptosis cascade, occurring when the PC is fully enveloped, followed by cell detachment and lateral extrusion of apoptotic corpses (1h); and 3) phagocytosis of apoptotic corpses by the surrounding Follicular Cells (FCs) (over 5 hours). Then, using a candidate gene approach, I conducted genetic perturbation of Myosin, Cadherin and actin regulators in the FCs and/or PCs, and the analysis of the dynamics of some of these molecules. These experiences allowed me to determine that the function of these molecules is required in FCs for the process of elimination of supernumerary PCs. Finally, evidence obtained suggests a link between JAK/STAT signaling and Myosin dynamics.

L’infection par le virus de l’hépatite E (VHE) peut entraîner une hépatite aiguë chez l’homme évoluant en hépatite fulminante dans 1-4% des cas, voire 20% chez les femmes enceintes dans les régions endémiques. Le VHE, transmis par voie entérique, est responsable de grandes épidémies d’origine hydrique dans les pays en voie de développement et de nombreux cas sporadiques d’origine zoonotique dans des pays industrialisés. La description récente de cas d’hépatites E chroniques ou d’atteintes neurologiques graves souligne l’importance de caractériser les interactions du VHE avec son hôte. L’objectif de ce projet de thèse était de caractériser les interactions entre le VHE et la réponse immune innée de l’hôte et en particulier avec le système interféron de type I (IFN-I).La première partie de ce projet a consisté en l’étude de la modulation des voies de signalisation de l’IFN-I par la polyprotéine non-structurale ORF1 du VHE. Celle-ci est constituée de plusieurs domaines fonctionnels putatifs tels qu’une methyltransférase (Met) ou une protéase à cystéine de type papaïne (PCP) dont les fonctions sur la signalisation IFN-I restent encore peu connues. Les résultats obtenus ont montré que le domaine MetPCP de l’ORF1 est capable d’inhiber l’activation du promoteur de l’IFN-β et de celui des gènes sous le contrôle de l’IFN contenant des éléments de réponse à l’IFN (ISRE), ainsi que l’expression de certains des gènes induits par l’IFN (ISGs). En recherchant le mécanisme impliqué dans l’inhibition du promoteur ISRE, nous avons montré que le domaine MetPCP inhibe la phosphorylation de STAT1 et sa relocalisation nucléaire. Nous avons également montré que le domaine MetPCP n’inhibe pas la phosphorylation de STAT2. Le mécanisme d’action du domaine MetPCP reste encore à préciser. La deuxième partie de ce projet a été de déterminer si l’infection par le VHE entraîne la production d’IFN-I par les cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs). En effet, les pDCs sont la principale source d’IFN-I et jouent un rôle crucial dans la réponse immunitaire innée et adaptative. Les résultats obtenus suggèrent que les pDCs ne produisent que modérément de l’IFN-I lorsqu’elles sont co-cultivées avec des cellules infectées par le VHE. L’ensemble des résultats obtenus pendant ce travail de thèse suggère que le VHE utilise plusieurs mécanismes pour moduler la signalisation IFN-I de l’hôte. / Hepatitis E virus (HEV) is the causative agent of acute hepatitis in humans that can lead to fulminant hepatitis in 1-4% of cases, and in 20% of pregnant women in endemic regions. HEV is an enterically-transmitted virus responsible for large waterborne epidemics in developing countries and numerous cases of zoonotic hepatitis E in industrialized countries. The recent description of cases of chronic hepatitis E and severe neurological disorders highlight the importance to characterize the interactions between HEV and the host. The objective of this PhD project was to characterize the interactions between HEV and the host innate immune response and particularly with the type I interferon system (IFN-I).The first part of this project aimed to study the ability of the ORF1 non-structural polyprotein of HEV to modulate the IFN-I signalling pathways. HEV ORF1 contains several putative functional domains including a methyltransferase (Met) and a papain-like cysteine protease (PCP) whose functions on the IFN-I signalling remain poorly understood. The results obtained showed that the MetPCP domain of ORF1 inhibits IFN-β and IFN-stimulated response element (ISRE) promoter activation and the expression of some IFN-stimulated genes (ISGs). We then investigated the mechanism involved in this inhibition of ISRE promoter activation. We showed that the MetPCP domain inhibits STAT1 phosphorylation and nuclear translocation. In contrast, we found that the MetPCP domain does not inhibit STAT2 phosphorylation. However, the mode of action of MetPCP remains to be fully characterised. The second part of this project aimed to determine the ability of plasmacytoid dendritic cells (pDCs) to produce IFN-I in response to HEV infection. Indeed, pDCs are the main IFN-I source and play a crucial role in innate and adaptive responses. The results obtained suggest that pDCs produce IFN-I moderately when co-cultured with HEV-infected cells. Taken together, the results obtained during this PhD project suggest that HEV has evolved different mechanisms to modulate the IFN-I host response.

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