L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose. / Osteoarthritis (OA) is an age related degenerative joint disease with unknown pathogenesis. Recent studies suggest that the activation of the transcription factor Peroxisome Proliferator-Activated Receptor gamma (PPARγ) is a therapeutic target for OA. Agonists of PPARγ inhibit inflammation and reduce the synthesis of cartilage degradation products both in vitro and in vivo. However, studies using agonists of PPARγ do not elucidate the exact effects mediated by this complex gene. Indeed, some of these agonists have the ability to regulate, in vivo, various other signaling pathways independent of PPARγ, resulting in serious side effects. It is therefore vital, in order to achieve therapeutic efficacy with potentially less safety concerns, to elucidate the exact in vivo role of PPARγ in OA pathophysiology. Thus, the aim of my PhD project was to determine the specific in vivo role of PPARγ in OA pathophysiology using cartilage-specific PPARγ knockout (KO) mice and subjecting these mice to surgical model of OA. I generated two separate PPARγ KO mice harboring a (a) constitutive cartilage-specific germ-line deletion of PPARγ gene for developmental and age-related OA study and (b) inducible cartilage-specific deletion of PPARγ in adult mouse specifically for OA studies using LoxP Cre system. Previous study in my laboratory using germ-line PPARγ KO mice shows that these mice exhibit cartilage developmental defects. I further explored if these mice which exhibit early developmental defects have any phenotypic changes in the articular cartilage during ageing. My results showed that adult PPARγ KO mice exhibited a spontaneous OA phenotype associated with enhanced cartilage degradation, hypocellularity, synovial fibrosis, and increased expression of catabolic and inflammatory factors. This study showed that PPARγ is a critical regulator of cartilage health, the lack of which leads to an accelerated spontaneous OA phenotype (Vasheghani et al, 2013; American Journal of Pathology). From this aim of the study, I could not ascertain if cartilage-specific germline PPARγ KO mice exhibited spontaneous OA because of developmental defects or as a result of PPARγ deficiency. To bypass the developmental defects, I then generated inducible cartilage-specific PPARγ KO mice using Col2rTACre system and subjected these mice to destabilization of medial meniscus (DMM) model of OA surgery. My results revealed that PPARγ KO mice showed accelerated cartilage degradation, hypo-cellularity, synovial fibrosis and increased expression of catabolic and inflammatory factors during OA. Loss of chondrocyte cellularity within the articular cartilage is one of the critical events that initiate the degradation of the cartilage during OA. Recent studies suggest that the process of autophagy, a form of programmed cell survival, is impaired during OA and may contribute towards decreased chondro-protection resulting in cartilage degradation. Thus, I further explored the role of PPARγ in chondro-protection by determining the effect of PPARγ deficiency in the cartilage on the expression of mTOR (master negative regulator of autophagy) and autophagy genes during OA. My results revealed that PPARγ-deficient chondrocytes exhibit significantly enhanced expression of mTOR and decreased expression of genes that initiate autophagy process compared to chondrocytes extracted from control OA mice. I then hypothesized that PPARγ controls mTOR/autophagy signaling and ultimately the fate of chondrocytes and the expression of catabolic and inflammatory factors in the articular cartilage. To test this, I transfected PPARγ KO OA chondrocytes with PPARγ expression vector to determine if restoration of PPARγ expression can rescue the phenotype of PPARγ KO OA cells. I observed that restoration of PPARγ expression in PPARγ KO cells significantly down-regulated the expression of mTOR and up-regulate the expression of autophagy genes along with significant rescue in the expression of collagen type II and aggrecan and significant down-regulation in the expression of critical catabolic and inflammatory markers. To validate our in vitro finding that enhanced mTOR signalling and resultant decrease in autophagy is responsible for accelerated OA phenotype observed in PPARγ KO mice, I generated inducible cartilage-specific PPARγ-mTOR double KO mice and subjected these mice to DMM model of OA. My results clearly demonstrate that PPARγ-mTOR double KO mice exhibit significant protection against DMM-induced OA associated with significant protection from cartilage destruction, proteoglycan loss and loss of chondro-cellularity compared with control mice. Since mTOR is a major repressor of autophagy, I found that the expression of two critical autophagy markers (ULK1 and LC3B) was significantly elevated in PPARγ-mTOR double KO mice compared to control mice. My in vitro rescue studies using PPARγ expression vector and in vivo studies using PPARγ- mTOR double KO mice clearly show that PPARγ is involved in the regulation of mTOR/autophagy signalling in the articular cartilage. Therefore, deficiency of PPARγ upregulates mTOR signalling resulting in the suppression of autophagy and decreased chondroprotection and increased catabolic activity leading to accelerated severe OA. This study for the first time provides direct evidence on the role of PPARγ in chondroprotection by modulation of mTOR/autophagy signalling in the articular cartilage. These findings outline PPARγ and its downstream signalling by mTOR/autophagy as potential therapeutic targets for the treatment of OA.

Submitted by PPG Pediatria e Sa?de da Crian?a (pediatria-pg@pucrs.br) on 2018-01-02T16:42:12Z No. of bitstreams: 1 Tese Lidiane.pdf: 1449534 bytes, checksum: 483272938ee77a60ad54caa8f898d243 (MD5) / Approved for entry into archive by Caroline Xavier (caroline.xavier@pucrs.br) on 2018-01-24T12:15:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese Lidiane.pdf: 1449534 bytes, checksum: 483272938ee77a60ad54caa8f898d243 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-24T12:17:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Lidiane.pdf: 1449534 bytes, checksum: 483272938ee77a60ad54caa8f898d243 (MD5) Previous issue date: 2017-08-31 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Introduction: acute bronchiolitis (AB) is an inflammatory disease of the airways considered the most common pathology of the lower respiratory tract in childhood. Responsible for a large number of hospitalizations in infants is one of the leading respiratory diseases worldwide, raising the costs of health care in infants. According to epidemiological data, between 75,000 and 125,000 children are hospitalized in the United States each year with infections caused by respiratory syncytial virus (RSV), accounting for approximately 25% of pediatric pneumonia and up to 70% of hospitalizations for acute bronchiolitis. Children with deficiencies in cell-mediated immunity can develop more severe and prolonged infections. Activation of the mTOR, STAT-3 and STAT-6 signaling pathways have been identified as key regulators in different functions of the immune system. The aim of this study was to investigate the relationship between the gene expression of mTOR, STAT-3, STAT-6 and AB severity. Methods: it is a cohort study that included a group of infants less than 12 months old with AB admitted to a tertiary hospital in Porto Alegre, Brazil. Nasopharyngeal lavage was collected from all patients and stored in Trizol solution at -80?C at the Biomedical Research Institute (IPB) of PUCRS for subsequent extraction of RNA and cDNA synthesis. Specific primers were used to verify the relative expression of mTOR, STAT-3 and STAT-6 by means of real-time PCR. The results obtained were correlated with AB severity markers such as hospitalization time and wheezing time. Results: for the analysis of expression of the mTOR signaling protein and transcription factors STAT-3 and STAT-6, 23 patients hospitalized with AB were included. A general correlation was made between clinical markers (days of hospitalization and days of wheezing) and expression of signaling pathways. Data were stratified according to severity markers and showed a trend towards decreased mTOR expression in patients with a wheezing time equal to or greater than 5 days (r = -0.702 and p = 0.024). However, the STAT-3 and STAT-6 signaling pathways were not correlated with AB severity factors when applied in this group of patients. Conclusion: transcription factors are essential for generating effective immune responses. mTOR, STAT-3 and STAT-6 participate in the expression of a variety of genes in response to cellular stimuli and may play a key role in the manifestation of the disease. Our data demonstrate the decrease in mTOR expression, with improvement in clinical markers of severity, but other studies are needed to reinforce this finding. / Introdu??o: a bronquiolite aguda (BA) ? uma doen?a inflamat?ria das vias a?reas considerada a patologia mais comum do trato respirat?rio inferior na inf?ncia. Respons?vel por um grande n?mero de hospitaliza??es em lactentes ? uma das principais doen?as respirat?rias em todo o mundo, elevando os custos de cuidados de sa?de em lactentes. Segundo dados epidemiol?gicos, entre 75.000 e 125.000 crian?as s?o hospitalizadas nos Estados Unidos anualmente com infec??es causadas pelo v?rus sincicial respirat?rio (VSR), respondendo por aproximadamente 25% das pneumonias pedi?tricas e at? 70% das interna??es por bronquiolite aguda (BA). As crian?as com defici?ncia na imunidade mediada por c?lulas podem desenvolver infec??es mais graves e prolongadas. A ativa??o das vias de sinaliza??o mTOR, STAT-3 e STAT-6 t?m sido identificadas como reguladores-chave em diferentes fun??es do sistema imune. O objetivo deste estudo foi investigar a rela??o entre a express?o g?nica de mTOR, STAT-3, STAT-6 e a gravidade da BA. M?todos: trata-se de um estudo de coorte onde foi inclu?do um grupo de lactentes de idade inferior a 12 meses, com BA, internados em um hospital terci?rio de Porto Alegre, Brasil. Foi coletado lavado nasofar?ngeo de todos os pacientes e armazenados em solu??o de Trizol ? temperatura de -80?C no Instituto de Pesquisas Biom?dicas (IPB) da PUCRS para posterior extra??o de RNA e s?ntese de cDNA. Foram utilizados os iniciadores espec?ficos para verificar a express?o relativa de mTOR, STAT-3 e STAT-6 por meio de PCR em tempo real. Os resultados obtidos foram correlacionados com marcadores de gravidade da BA como tempo de interna??o e tempo de sibil?ncia. Resultados: para a an?lise da express?o da prote?na de sinaliza??o mTOR e fatores de transcri??o STAT-3 e STAT-6, foram inclu?dos 23 pacientes hospitalizados com BA. Foi realizada uma correla??o geral entre os marcadores cl?nicos (dias de interna??o e dias de sibil?ncia) e a express?o das vias de sinaliza??o. Os dados foram estratificados de acordo com os marcadores de severidade e mostraram uma tend?ncia para a diminui??o da express?o de mTOR em pacientes com tempo de sibil?ncia igual ou superior a 5 dias (r = -0,702 e p = 0,024). No entanto, as vias de sinaliza??o STAT-3 e STAT-6 n?o foram correlacionadas com fatores de gravidade da BA quando aplicadas neste grupo de pacientes. Conclus?o: os fatores de transcri??o s?o essenciais para gerar respostas imunes eficazes. O mTOR, STAT-3 e STAT-6 participam na express?o de uma variedade de genes em resposta a est?mulos celulares e podem desempenhar um papel-chave na manifesta??o da doen?a. Nossos dados demonstram a diminui??o da express?o de mTOR, com melhora dos marcadores cl?nicos de gravidade, por?m outros estudos s?o necess?rios para refor?ar este achado.

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Every year over 2.5 million traumatic brain injuries (TBI) occur and are the leading cause of death and disability among adolescents. There are no approved treatments for TBI. Survivors suffer from persistent cognitive impairment due to posttraumatic tissue damage and disruption of neural networks which significantly detract from their quality of life. Posttraumatic cognitive impairment depends in part on the brain's limited ability to repair or replace damaged cells. Immature neurons in the hippocampus dentate gyrus, a brain region required for learning and memory, are particularly vulnerable to TBI. Insulin-like growth factor-1 (IGF1) is a potential therapeutic for TBI because it is a potent neurotrophic factor capable of mediating neuroprotection, neuro-repair, and neurogenesis. We hypothesized that conditional IGF1 overexpression in the mouse hippocampus following experimental controlled cortical impact injury (CCI) would enhance posttraumatic neurogenesis chronically. To this end, conditional astrocyte-specific IGF1 overexpressing mice (IGFtg) and wild-type (WT) mice received CCI or sham injury. The proliferation marker BrdU was used to label neurons born the first week after injury. Six weeks after injury, when surviving posttrauma-born neurons would be fully developed, we counted proliferated cells (BrdU+) and the subset expressing a mature neuronal marker (NeuN+/BrdU+) in the hippocampus. We also assessed cognitive performance during radial arm water-maze reversal (RAWM-R) testing, a neurogenesis-sensitive assay. IGF1 promoted end-stage maturity and decreased mis-migration of neurons born after trauma. These effects coincide with IGF1 induced improvements in performance on neurogenesis sensitive cognition following TBI. Mammalian target of rapamycin (mTOR), an early signaling molecule downstream of IGF1, has been identified as a potential target for TBI interventions because of its regulatory role in neuronal plasticity and neurogenesis. However, recent studies have also reported maladaptive plasticity and recovery associated with posttraumatic mTOR activation. It is imperative to elucidate the mechanism of action of IGF1 during pre-clinical evaluations. We hypothesized that IGF1 mediates posttraumatic neurogenic effects through IGF1 induction of mTOR activation. We injured cohorts of IGFtg and WT mice and harvested their brains for immunohistochemistry to assess IGF1 overexpression effects on posttraumatic mTOR activation at 1, 3, and 10 days post-injury (dpi). We found that IGF1 upregulated mTOR activation following TBI in a region-specific manner at 1 and 3dpi. To determine if IGF1 regulated differentiation and arborization through the mTOR pathway, injured WT and IGFtg mice received daily i.p. injections of rapamycin (10mg/kg), the inhibitor of mTOR, or its vehicle for 7 days. Vehicle and rapamycin administration began 3dpi, after the cells dividing at the peak of posttraumatic proliferation were labeled with BrdU. IGF1 enhancement of posttraumatic neurogenesis was not dependent on mTOR activation. In summary, IGF1 directs newborn neuron localization, promotes end-stage maturation, and chronically improves cognition. IGF1 can stimulate posttraumatic neurogenesis and plasticity independent of mTOR activation. These data suggest that IGF1 can stimulate neuron replacement following trauma-induced hippocampal neuron loss and cognitive improvement. Further studies should investigate IGF1 and mTOR inhibition as a combination therapy for neurorehabilitation.

Le manque de protéine soluble est souvent un obstacle à la caractérisation structurale des protéines. Une approche courante pour surmonter cela consiste à isoler des domaines protéiques en utilisant des méthodes itératives de création et analyse de constructions. Autrement des banques d'ADN, contenant toutes les constructions possibles d'une même protéine, peuvent être crée par troncation enzymatique et testée à la fois pour l'expression et la solubilité de celle-ci. Dans ce projet, la nouvelle méthode d'Expression des Protéines Solubles par Troncation Aléatoire Incrémentielle (ESPRIT) a été utilisée pour explorer la définition des domaines protéiques. Des protéines kinases multidomaines qui avaient échoué surexpression solubles ont été choisies pour leur intérêt biologique. La méthode a d'abord été optimisée pour améliorer la qualité et l'efficacité des banques permettant un meilleur traitement de la diversité générée. Elle a ensuite été appliquée à une protéine kinase modèle DAPK1, à partir de laquelle une définition précise de domaine a été démontrée. Le criblage des constructions a ainsi permis l'identification de protéines plus stables, et cristallisation des constructions dans les conformations alternatives. La méthode a aussi été appliquée pour identifier des variants solubles du complexe DAPK1 et son partenaire la calmoduline, permettant de mettre en évidence un domaine d'interaction minimal, plus petit que celui décrit auparavant. Alors que plusieurs tentatives pour obtenir le domaine catalytique kinase de IKKb avaient échoué, des criblages additionnels sur cette protéine avec cette méthode ont permis d'identifier des domaines de régulation solubles et fonctionnels in vivo. Enfin, il a été démontré que des constructions du domaine catalytique de p110b, faiblement exprimées dans E.coli, pouvaient être exprimées solubles dans des cellules d'insectes avec des rendements plus importants.

L'activation dérégulée de lymphocytes T conduit à une réponse immune délétère envers les antigènes du soi. Malgré une utilisation croissante de doses élevées d'IVIg pour traiter les maladies auto-immunes, la compréhension des mécanismes sous-jacents aux bénéfices thérapeutiques demeure un enjeu majeur. En effet, les effets des IVIg restent inexplorés dans le cadre des maladies auto-immunes associées aux lymphocytes T. J'ai recherché les effets de doses élevées d'IVIg dans la polarisation des lymphocytes T en utilisant le modèle de l'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE), une maladie auto-immune associée aux lymphocytes T. Les IVIg inhibent la différenciation des lymphocytes T CD4+ naïfs en sous-populations effectrices (lymphocytes Th1 et Th17) et induisent, de manière concomitante, une prolifération des lymphocytes T Foxp3+. Les IVIg diminuent les effets délétères des lymphocytes T sur les tissus en diminuant l'expression du GM-CSF et de la podoplanine. En outre, les IVIg empêchent la dégénérescence neuronale en inhibant l'infiltrat en lymphocytes T CD4+ dans le système nerveux central (SNC). Ce mécanisme passe par une séquestration de ces lymphocytes dans les ganglions lymphatiques drainants à travers la voie de signalisation S1P-S1P1-mTor. De manière intéressante, et contrairement aux données actuelles, le récepteur inhibiteur FcγRIIB et la sialylation des IVIg ne sont pas indispensables pour la modulation des sous-populations de lymphocytes T CD4+ effecteurs et régulateurs induite par les IVIg. Ainsi, le bénéfice thérapeutique des IVIg dans le modèle de l'EAE implique un déséquilibre de la balance entre les lymphocytes Th17/Th1 et les lymphocytes Trég, au profit des lymphocytes Trég. Ces cellules diminuent l'expression de médiateurs favorisant l'apparition de l'encéphalomyélite et inhibent la migration des lymphocytes T vers l'organe cible.

La différentiation entre le « soi » et le « non-soi » est un processus biologique essentiel à la vie. Les peptides endogènes présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité de classe I (CMH I) représentent le fondement du « soi » pour les lymphocytes T CD8+. On donne le nom d’immunopeptidome à l’ensemble des peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du CMH I. Nos connaissances concernant l’origine, la composition et la plasticité de l’immunopeptidome restent très limitées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une nouvelle approche par spectrométrie de masse permettant de définir avec précision : la nature et l’abondance relative de l’ensemble des peptides composant l’immunopeptidome. Nous avons trouvé que l’immunopeptidome, et par conséquent la nature du « soi » immun, est surreprésenté en peptides provenant de transcrits fortement abondants en plus de dissimuler une signature tissu-spécifique. Nous avons par la suite démontré que l’immunopeptidome est plastique et modulé par l’activité métabolique de la cellule. Nous avons en effet constaté que les modifications du métabolisme cellulaire par l’inhibition de mTOR (de l’anglais mammalian Target Of Rapamycin) provoquent des changements dynamiques dans la composition de l’immunopeptidome. Nous fournissons également la première preuve dans l’étude des systèmes que l’immunopeptidome communique à la surface cellulaire l’activité de certains réseaux biochimiques ainsi que de multiples événements métaboliques régulés à plusieurs niveaux à l’intérieur de la cellule. Nos découvertes ouvrent de nouveaux horizons dans les domaines de la biologie des systèmes et de l’immunologie. En effet, notre travail de recherche suggère que la composition de l’immunopeptidome est modulée dans l’espace et le temps. Il est par conséquent très important de poursuivre le développement de méthodes quantitatives au niveau des systèmes qui nous permettront de modéliser la plasticité de l’immunopeptidome. La simulation et la prédiction des variations dans l’immunopeptidome en réponse à différents facteurs cellulaires intrinsèques et extrinsèques seraient hautement pertinentes pour la conception de traitements immunothérapeutiques. / Self/non-self discrimination is a fundamental requirement of life. Endogenous peptides presented by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules represent the essence of self for CD8 T lymphocytes. These MHC I peptides (MIPs) are collectively referred to as the immunopeptidome. Very little is known about the origin, composition and plasticity of the immunopeptidome. Here, we developed a novel high-throughput mass spectrometry approach that yields an accurate definition of the nature and relative abundance of peptides presented by MHC I molecules. Surprisingly, we found that the immunopeptidome, and therefore the nature of the immune self, is biased toward peptides derived from highly abundant transcripts and conceals a tissue-specific signature. Then, we showed that the immunopeptidome is plastic and moulded by cellular metabolic activity. In fact, we found that altering cellular metabolism via the inhibition of the mammalian target of rapamycin (mTOR) results in dynamic changes in the cell surface MIPs landscape. Importantly, we provide the first systems-level evidence that the immunopeptidome projects at the cell surface a faithful representation of biochemical networks and metabolic events regulated at multiple levels inside the cell. Our discoveries open up new perspectives in systems biology and immunology. Indeed, our work suggests that the composition of the immunopeptidome is modulated in space and time. Therefore, it is imperative to further develop and exploit systems-level quantitative methods that will enable modelling of the immunopeptidome’s plasticity. Simulating and predicting variations in the immunopeptidome in response to cell-intrinsic and -extrinsic factors could be relevant to numerous contexts, including the rational design of immunotherapeutic interventions.

Type 2 diabetes is a global disease which affects an increasing number of peopleevery year. At the heart of the disease lies insulin resistance in the target tissues,primarily fat and muscle. The insulin resistance is caused by the failure of a complexsignalling network, and several mechanistic hypotheses for this failure havebeen proposed. Herein, we evaluate a hypothesis that revolves around the proteinmammalian target of rapamycin (mTOR) and its feedback signals to insulin receptorsubstrate-1 (IRS1). In particular, we have re-examined this hypothesis andrelevant biological data using a mathematical modelling approach. During the course of modelling we gained several important insights. For instance,the model was unable to reproduce the relation between the EC50-valuesin the dose-response curves for IRS1 and its serine residue 312 (Ser-312). Thisimplies that the presented hypothesis, where the phosphorylation of Ser-312 liesdownstream of the tyrosine phosphorylation of IRS1, is inconsistent with the provideddata, and that the hypothesis or the data might be incorrect. Similarly, wealso realized that in order to fully account for the information in the dose-responsedata, time curves needed to be incorporated into the model. A preliminary model is presented, which explains most of the data-sets, butstill is unable to describe all the details in the data. The originally proposed hypothesisas an explanation to the given data has been revised, and our analysisserves to exemplify that an evaluation of a mechanistic hypothesis by mere biochemicalreasoning often misses out on important details, and/or leads to incorrectconclusions. A model-based approach, on the other hand, can efficiently pin-pointsuch weaknesses, and if combined with a comprehensive understanding of biologicalvariation and generation of experimental data, mathematical modelling canprove to be a method of great potential in the search for mechanistic explanationsto the cause of insulin resistance in type 2 diabetics.

La différentiation entre le « soi » et le « non-soi » est un processus biologique essentiel à la vie. Les peptides endogènes présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité de classe I (CMH I) représentent le fondement du « soi » pour les lymphocytes T CD8+. On donne le nom d’immunopeptidome à l’ensemble des peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du CMH I. Nos connaissances concernant l’origine, la composition et la plasticité de l’immunopeptidome restent très limitées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une nouvelle approche par spectrométrie de masse permettant de définir avec précision : la nature et l’abondance relative de l’ensemble des peptides composant l’immunopeptidome. Nous avons trouvé que l’immunopeptidome, et par conséquent la nature du « soi » immun, est surreprésenté en peptides provenant de transcrits fortement abondants en plus de dissimuler une signature tissu-spécifique. Nous avons par la suite démontré que l’immunopeptidome est plastique et modulé par l’activité métabolique de la cellule. Nous avons en effet constaté que les modifications du métabolisme cellulaire par l’inhibition de mTOR (de l’anglais mammalian Target Of Rapamycin) provoquent des changements dynamiques dans la composition de l’immunopeptidome. Nous fournissons également la première preuve dans l’étude des systèmes que l’immunopeptidome communique à la surface cellulaire l’activité de certains réseaux biochimiques ainsi que de multiples événements métaboliques régulés à plusieurs niveaux à l’intérieur de la cellule. Nos découvertes ouvrent de nouveaux horizons dans les domaines de la biologie des systèmes et de l’immunologie. En effet, notre travail de recherche suggère que la composition de l’immunopeptidome est modulée dans l’espace et le temps. Il est par conséquent très important de poursuivre le développement de méthodes quantitatives au niveau des systèmes qui nous permettront de modéliser la plasticité de l’immunopeptidome. La simulation et la prédiction des variations dans l’immunopeptidome en réponse à différents facteurs cellulaires intrinsèques et extrinsèques seraient hautement pertinentes pour la conception de traitements immunothérapeutiques. / Self/non-self discrimination is a fundamental requirement of life. Endogenous peptides presented by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules represent the essence of self for CD8 T lymphocytes. These MHC I peptides (MIPs) are collectively referred to as the immunopeptidome. Very little is known about the origin, composition and plasticity of the immunopeptidome. Here, we developed a novel high-throughput mass spectrometry approach that yields an accurate definition of the nature and relative abundance of peptides presented by MHC I molecules. Surprisingly, we found that the immunopeptidome, and therefore the nature of the immune self, is biased toward peptides derived from highly abundant transcripts and conceals a tissue-specific signature. Then, we showed that the immunopeptidome is plastic and moulded by cellular metabolic activity. In fact, we found that altering cellular metabolism via the inhibition of the mammalian target of rapamycin (mTOR) results in dynamic changes in the cell surface MIPs landscape. Importantly, we provide the first systems-level evidence that the immunopeptidome projects at the cell surface a faithful representation of biochemical networks and metabolic events regulated at multiple levels inside the cell. Our discoveries open up new perspectives in systems biology and immunology. Indeed, our work suggests that the composition of the immunopeptidome is modulated in space and time. Therefore, it is imperative to further develop and exploit systems-level quantitative methods that will enable modelling of the immunopeptidome’s plasticity. Simulating and predicting variations in the immunopeptidome in response to cell-intrinsic and -extrinsic factors could be relevant to numerous contexts, including the rational design of immunotherapeutic interventions.