Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease affecting large- and medium-sized arteries and is considered the major cause behind cardiovascular diseases (CVD). Elevated low-density lipoprotein (LDL)-cholesterol and low high-density lipoprotein (HDL)-cholesterol are considered major risk factors for the CVD. HDL mediates a variety of atheroprotective actions, many of them involving the interaction with the scavenger receptor class B, type 1 (SR-B1). Despite the efforts placed in raising HDL-cholesterol, no improvement has been achieved in reducing CVD risk, suggesting that other components of the HDL particles may be responsible for HDL-mediated atheroprotection. One of these may be sphingosine-1-phospate (S1P). In this thesis, the role of S1P receptors (S1PRs) in atherosclerosis is explored, with emphasis in macrophage apoptosis. In particular, the importance of the macrophage S1PR1 and its role in apoptosis and atherosclerosis was evaluated. We demonstrated that diabetes exacerbates atherosclerosis development and myocardial infarction in SR-B1 KO/apoE-hypomorphic mice and that treatment with FTY720, a S1PR agonist, protects against diabetes pro-atherogenic effects. We also show that S1PR1 agonists protected macrophages against apoptosis through phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/AKT, and that HDL failed to protect S1PR1 deficient macrophages against apoptosis. In vivo, macrophage S1PR1 deficiency translated into increased atherosclerosis, necrotic core formation and numbers of apoptotic cells in the atherosclerotic plaque. BIM deficiency in BM cells was protective against atherosclerosis development and HDL treatment reduced BIM protein levels in cells exposed to ER stressors, suggesting that the pro-apoptotic protein may be an important target for HDL in macrophages. We conclude that signaling through the S1PRs, in particular S1PR1 is important in controlling macrophage apoptosis and atherosclerosis development. Our data suggests that S1PR1 signaling axis and the pro-apoptotic protein BIM play an important role in mediating HDL anti-apoptotic signaling, however further studies are required to clarify the interaction between all of these factors. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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Mast cells play a critical role in both acute and chronic inflammation and mature in peripheral tissues from bone marrow-derived progenitors that circulate in the blood as immature precursors. Mast cell progenitors are likely to encounter the serum-borne bioactive sphingolipid metabolite, sphingosine-1-phosphate (S1P), during migration to target tissues. Mast cells developed from human cord blood-derived progenitors cultured with stem cell factor (SCF) alone express intragranular tryptase (MCT), the phenotype predominant in the lung. S1P accelerated the development of cord blood-derived mast cells (CB-MCs) and strikingly increased the numbers of mast cells expressing chymase. These mast cells have functional FcepsilonRI, and similar to skin mast cells that express both tryptase and chymase (MCTC), also express CD88, the receptor for C5a, and are activated by anaphylatoxin C5a and the secretagogue compound 48/80. S1P induced release of IL-6, a cytokine known to promote development of functionally mature MCTC, from cord blood cultures containing adherent macrophages, and from highly purified macrophages, but not from macrophage-depleted CB-MCs. In contrast, S1P stimulated secretion of the chemokine, monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1/CCL2), from these macrophage-depleted and purified CB-MCs.

Le vieillissement et les maladies associées constituent une préoccupation croissante des sociétés modernes. En effet, l'espérance de vie augmente rapidement et ceci n'est pas accompagné par une fécondité accrue. Par conséquent, la proportion de personnes âgées augmente et la science doit fournir des solutions pour traiter les maladies liées à l'âge. Dans ce travail, nous avons étudié une partie du réseau génétique qui a un impact sur la durée de vie par le biais du régime alimentaire. Nous nous sommes concentrés en particulier sur le rôle d'un gène conservé qui code pour la sphingosine kinase (SPHK), et nous décrivons ici pour la première fois son rôle dans la longévité induite par la restriction alimentaire. Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, C. elegans a été utilisé pour comprendre le rôle que la sphingosine kinase (sphk-1) joue dans le vieillissement. Nous rapportons que les vers porteur d'une mutation dans le gène sphk-1 vivent plus longtemps que des vers sauvages et ne répondent pas à une restriction alimentaire (RA) et ressemblent à des animaux sauvages soumis à RA. De plus, nos données suggèrent que la longévité causée par une mutation du gène sphk-1 nécessite la présence du facteur de transcription SKN-1b, connue pour son rôle dans la RA. De plus, sphk-1 et skn-1b sont tout deux exprimés dans les neurones de la tête. Nos travaux suggèrent également que la voie TOR/autophagie est impliquée dans la longévité de sphk-1 mutants. Nous avons également montré que d'autres gènes dans la voie de synthèse des céramides ont un effet similaire sur la longévité suggérant que cette voie toute entière est capable d’affecter la longévité.La deuxième partie de ce travail a été réalisée sur un modèle de souris de la maladie d’Alzheimer (MA) pour tester le rôle des gènes SPHK dans la MA et la dégénérescence neuronale. Nous avons constaté que le niveau d'expression de SPHK était significativement augmenté dans nos modèles de souris par rapport à leurs contrôles de la même portée dès l’âge de 6 mois. Un inhibiteur de la SPHK (SKI-II) a été administré à ces souris et ce traitement a permis une amélioration des performances des souris dans des tests de marche sur balancier et une augmentation du poids de cerveau, mais pas d'amélioration de la mémoire dépendante de l'hippocampe. Un autre traitement de SKI-II sur des souris de type sauvage n'a pas montré d’amélioration significative, mais la restriction calorique (RC) a réduit les niveaux de SPHK chez les souris sauvage, ce qui suggère que la sphingosine kinase a des fonctions conservées dans les voie de signalisation liés au sensing des nutriments. / Advances in medical technology and hygiene standards have increased human life expectancy at unprecedented rates worldwide. Nevertheless, one of the consequences of a growing elderly population is an increased prevalence of age-related disease. A scientific understanding of the underlying biological mechanisms of aging is essential to develop effective treatments for age-related diseases and to provide adequate health care to the elderly. In this study, we investigated part of the genetic network that mediates lifespan extension resulting from dietary restriction. We focused on the contribution of a conserved gene encoding the enzyme sphingosine kinase, and describe for the first time its role in diet-mediated longevity.This thesis is composed of two parts. In the first part, we used the nematode Caenorhabditis elegans as a model organism to investigate the role of the sphingosine kinase gene (sphk-1) in aging. We found that worms carrying a sphk-1 null mutation (sphk-1(ok1097)) are long-lived and do not benefit from further lifespan extension upon dietary restriction (DR), a regimen that extends the lives of wild-type worms. sphk-1(ok1097) animals exhibit many phenotypes displayed by animals subjected to DR, suggesting that sphk-1(ok1097) acts through the DR longevity pathway. In support of this, sphk-1(ok1097)-mediated lifespan extension requires the essential DR regulator, SKN-1b, and, similar to SKN-1b, sphk-1 is expressed in head neurons. A search for possible sphk-1(ok1097)-associated longevity determinants suggested the involvement of the TOR/autophagy pathway. Moreover, we found that mutations in ceramide pathway genes other than sphk-1 have similar effects on longevity. Finally, we discovered that sphk-1 mutants fail to reduce germ cell numbers in response to DR. Because such a reduction appears to be an essential feature of DR-mediated lifespan extension, we propose that this failure to reduce germ cell numbers may explain why sphk-1(ok1097) mutant longevity is not extended when nutrient levels are low.The second part of this study investigated the role of sphingosine kinase in brain function during normal and pathologic aging. We examined the expression of sphingosine kinase genes in wild-type mice and in a mouse model of Alzheimer’s disease (AD)-like neurodegeneration. Expression of both mouse SphK genes was increased in the brains of AD-like mice as early as 6 months of age. Chronic administration of an SphK inhibitor elevated the brain weight of AD-like mice and improved their performance in the beam walking test, but not in hippocampus-dependent memory tasks. Treatment of wild-type mice with SKI-II had little effect, but calorie restriction reduced the expression of SphK mRNA in the brain, suggesting that sphingosine kinase may play some conserved roles in nutrient sensing pathways. / 在工业化水平越来越高的当今社会，人口的老龄化正逐渐成为一个严重的社会问题。医疗手段的发展、生活水平的提高使得人们的寿命在不断增加，而与此同时生育率并没有同步增加，这就导致老年人口在整个社会人口中的比重快速增长，因此，衰老以及一些相关的疾病就得到了人们越来越多的关注，也正在成为一个越来越热门的科研领域。从科研工作者的角度，我们希望能够通过实验手段破解衰老及其相关疾病的机制从而寻找延缓衰老或治疗相关疾病的方法。在本论文中，我们研究了一个通过限制饮食来调控寿命的基因网络的一部分。我们的主要研究对象是编码鞘氨醇激酶的基因（SphK），我们第一次发现了它在饮食介导的寿命调控中的作用。本论文由两个章节组成。在第一章中，我们使用秀丽隐杆线虫作为模式动物来研究鞘氨醇激酶基因（sphk-1）在其衰老调控过程中的作用。在研究中，我们发现，携带一种sphk-1 删除突变（sphk-1(ok1097)）的突变体线虫的平均寿命显著延长，而饮食限制（DR）并不能进一步延长它的寿命。另外，这种突变体还表现出一系列与受饮食限制调控的动物相类似的表型，尽管并不是全部。这些结果都表明sphk-1 基因通过饮食介导的途径参与线虫的寿命调控。我们随后的研究显示，由sphk-1 突变引起的寿命延长依赖于DR 的一个调控因子：SKN-1b；并且，与skn-1b 类似，sphk-1 表达的位置也在线虫头部的神经元。对于其它DR 相关因子的研究还发现线虫sphk-1(ok1097)突变引起的寿命延长可能与TOR 及自噬通路的作用有关。此外，我们还发现，不仅是sphk-1，神经酰胺通路中的其它基因对于寿命调控也有类似的效果。最后，我们的研究结果显示，DR 未能减少sphk-1(ok1097)突变体线虫的生殖细胞数量，这一发现或许能够解释为什么DR不能够进一步延长sphk-1(ok1097)突变体线虫的寿命。在第二章中，我们使用了一种模拟阿尔茨海默症（AD）的小鼠模型来测试哺乳类SphK 基因在神经退行性病变中的作用。我们发现，在模型小鼠脑组织中，两种哺乳类SphK 基因的表达水平与它们的同窝对照相比显著增加，而这一显著差异早在6 月龄的小鼠脑中就能发现。在后续的实验中，我们给这些小鼠喂食了一种SphK 的抑制剂——SKI-II。这种抑制剂显著改善了模型小鼠在平衡木实验中的表现，并且显著增加了它们的脑重量，但对于海马依赖性的记忆并没有改善。在另一个实验中，给野生型小鼠注射SKI-II 并没有表现出明显的差异，但热量限制（CR）降低了野生小鼠脑中两种SphK基因的表达量，这一与线虫中类似的结果提示，鞘氨醇激酶在营养通路中可能有一些进化保守的功能。

名古屋大学博士学位論文 学位の種類:博士（医療技術学）（課程） 学位授与年月日:平成20年3月25日

L'infiltration des mélanomes par les macrophages (TAM) est souvent corrélée à un mauvais pronostic. Cependant, les mécanismes qui régulent le recrutement et la fonction de ces cellules restent encore mal compris. Des études récentes ont montré un rôle majeur de la sphingosine kinase 1 (SK1) tumorale, l'enzyme qui produit la sphingosine-1-phosphate (S1P), dans le remodelage du stroma associé à la tumeur. Le but de ce projet a été d'étudier le rôle de la SK1 tumorale sur le microenvironnement inflammatoire, et en particulier les macrophages, lors du développement des tumeurs mélaniques. In vitro, nous avons montré que l'inhibition de SK1 dans les cellules de mélanome : 1) bloque la migration des macrophages. A l'inverse, la surexpression de cette kinase dans les cellules tumorales stimule la migration des cellules inflammatoires. Cet effet est dépendant de la S1P et de sa fixation sur les récepteurs S1PR présents à la surface des macrophages ; 2) réduit la sécrétion de TGF-ß et 3) stimule la différenciation des macrophages vers un phénotype M1 antitumoral. Ce phénomène n'est pas dépendant de la S1P, ni des S1PRs, mais de la sécrétion de TGF-ß par les cellules tumorales. En effet, la différenciation macrophagique peut-être réversée par l'addition de TGF-ß recombinant dans le milieu de sécrétion des cellules tumorales. In vivo, nos résultats montrent que la greffe orthotopique, i.e. intradermique, de cellules de mélanome murin invalidées pour la SK1 à des souris syngéniques C57BL/6 est associée à une réduction de la croissance tumorale, comparée à des souris ayant reçu des cellules de mélanome contrôles. De plus, l'invalidation de la SK1 tumorale conduit à une augmentation significative de l'expression de cytokines anti-tumorales ainsi qu'à une polarisation Th1 au sein de la tumeur. Ce phénomène s'accompagne d'une réduction du pourcentage de macrophages M2 CD206+MHCIIlow, et à l'inverse, d'une augmentation du pourcentage de macrophages M1 CD206-MHCIIhigh ainsi que de lymphocytes T CD4+ et CD8+ infiltrés dans la tumeur. Ces résultats suggèrent un rôle clé de la SK1 tumorale dans le recrutement et la polarisation des macrophages dans les mélanomes. Ainsi, l'axe SK1/ TGF-ß pourrait constituer une cible thérapeutique prometteuse dans le contrôle de la croissance de cette tumeur. / Melanoma infiltration by macrophages (TAM) is often correlated with poor prognosis. However, the mechanisms that regulate the recruitment and function of these cells remain poorly understood. Recent studies have shown a major role of tumor sphingosine kinase 1 (SK1), the enzyme that produces sphingosine-1-phosphate (S1P), in tumor stroma remodeling. The aim of this project was to investigate the role of tumor SK1 on the inflammatory microenvironment, particularly macrophages, during the development of melanoma. In vitro, we showed that the inhibition of SK1 in melanoma cells: 1) blocks macrophage migration. Conversely, overexpression of this kinase in tumor cells stimulates the migration of inflammatory cells. This effect is dependent on S1P binding to its receptors (S1PR) on the macrophage surface; 2) reduces the secretion of TGF-ß and 3) stimulates macrophage differentiation towards an antitumor M1 phenotype. The latter phenomenon does not depend on S1P nor S1PRs, but on the secretion of TGF-ß by tumor cells. Indeed, macrophage differentiation can be reversed by adding recombinant TGF-ß in the tumor cell-conditioned medium. In vivo, our results showed that orthotopic injection, i.e. intradermal, of murine melanoma cells invalidated for SK1 in C57BL / 6 syngenic mice was associated with a reduction in tumor growth compared to mice having received control melanoma cells. Furthermore, the invalidation of tumor SK1 leads to a significant increase in the expression of anti-tumor cytokines and a Th1 polarization within the tumor. This phenomenon is accompanied by a reduction in the percentage of CD206+MHCIIlow M2 macrophages, and conversely, an increase in the percentage of M1 macrophages CD206-MHCIIhigh as well as CD4+ and CD8+ cells infiltrated into the tumor. These results suggest a key role of tumor SK1 in the recruitment of macrophages and their polarization in melanoma. Thus, the axis SK1 / TGF-ß could be a promising therapeutic target in controlling the growth of this tumor.

付記する学位プログラム名: 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成プログラム / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23789号 / 医博第4835号 / 新制||医||1057(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 渡邊 直樹, 教授 松田 道行, 教授 寺田 智祐 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

La spondyloarthrite (SpA) est une pathologie rhumatologique caractérisée notamment par une inflammation et par des ossifications excessives se formant au niveau des enthèses. Il s’agit de zones de fortes contraintes mécaniques où les tendons et ligaments sont ancrés dans l’os via une zone fibrocartilagineuse. La sphingosine 1-phosphate (S1P) est un lipide bioactif qui joue un rôle important à la fois dans le remodelage osseux et la réponse inflammatoire. Notre objectif était donc d’explorer le rôle de la S1P dans l’ossification excessive de la SpA. Nous avons observé que les taux sériques de S1P des patients atteints de SpA sont significativement supérieurs à ceux de donneurs contrôles. Nous avons utilisé comme modèle des cultures primaires murines d’ostéoblastes, de chondrocytes et de ténocytes et des cultures organotypiques d’enthèse de souris. Nous avons observé que les enzymes de synthèse de la S1P, les sphingosine kinases 1 et 2, contribuent à la minéralisation des ostéoblastes et des chondrocytes. L’effet pro-minéralisant de la S1P est partiellement médié par deux de ses récepteurs (S1P1 et S1P3). De plus, la production de S1P est stimulée suite à un étirement cyclique dans les ostéoblastes et les chondrocytes, et après un traitement avec les cytokines TNF-α et IL-17 dans les chondrocytes. Finalement, l’inhibition générale du métabolisme de la S1P par le Fingolimod conduit à une diminution de la minéralisation dans les ostéoblastes et encore davantage dans les chondrocytes. Ces résultats suggèrent que le métabolisme de la S1P participe à l’ossification excessive de la SpA. Des études in vivo sont maintenant nécessaires pour valider cette possibilité / Spondyloarthritis (SpA) is a rheumatic disease characterized in particular by enthesis ectopic ossification and inflammation. Enthesis is a zone of concentration of mechanical stresses where ligaments and tendons attach to bone through fibrocartilaginous connections. Sphingosine 1-phosphate (S1P) is a bioactive lipid that plays an important role in both bone remodelling and in inflammatory response. Our aim was to explore the role of S1P in SpA excessive ossification. We observed that serum S1P concentrations in SpA patients are significantly higher compared to control donors. We used primary mouse osteoblasts, chondrocytes and tenocytes as cellular models and organotypic cultures of mice enthesis. We observed that S1P synthetizing enzymes, sphingosine kinases 1 and 2, stimulate osteoblasts’ and chondrocytes’ mineralizing process. S1P pro-mineralizing effect was partially mediated by two of the S1P receptors (S1P1 and S1P3). Moreover, S1P production was enhanced by cyclic strain in osteoblasts and chondrocytes and by pro-inflammatory cytokines (TNF-α and IL-17) in chondrocytes. Finally, the inhibition of S1P metabolic pathway by Fingolimod reduced the mineralization in cultured osteoblasts and even more in chondrocytes. These results suggest that S1P metabolism participates in SpA excessive ossification. In vivo studies are now needed to validate this possibility

Les fumonisines (FBs) sont les principales mycotoxines produites par Fusarium verticillioides et Fusarium proliferatum, qui se retrouvent partout dans le monde dans le maïs et ses produits dérivés. Les doses toxiques et les signes cliniques de toxicité provoqués par les FBs varient dune espèce à lautre. La toxicité des FBs est généralement liée à leur capacité à bloquer le métabolisme des sphingolipides chez les espèces animales, y compris chez les espèces aviaires. De précédentes études ont démontré que les canards présentent une plus grande sensibilité à la toxicité des FBs que les dindes, alors que laccumulation de sphinganine (Sa) dans les tissues est plus importante chez les dindes que chez les canards. Lobjectif de nos travaux était de comprendre les différences de toxicité entre les dindes et les canards los dune exposition aux FBs. Les trois hypothèses suivantes ont été explorées : i) La toxicocinétique de la fumonisine B2 chez les dindes et les canards. ii) La capacité des cellules aviaires à se protéger de limportante accumulation de sphingolipides libres en augmentant leur catabolisme (phosphorylation). iii) Des mécanismes de toxicité des FBs autre que leur altération via le métabolisme des sphingolipides (stress oxydatif et les réponses inflammatoires). Lanalyse des paramètres de toxicocinétique de la fumonisine B2 na pas mis en évidence de différence significative entre les dindes et les canards. Les mesures de la toxicité simultanée de plusieurs FBs chez les dindes et les canards ont confirmé la forte sensibilité des canards. Laccumulation de shingasine-1-phosphate (Sa1P) dans le foie a également été corrélée avec la quantité de Sa mais pas avec les paramètres hépatiques de toxicité. De plus cette étude a mis en évidence que la quantité de Sa dans le foie était fortement dépendante de la teneur en FBs. Cependant les FBs nont eu aucun effet sur les paramètres de stress oxydatif pour les deux espèces. De manière intéressante, les FBs ont eu une légère réponse inflammatoire chez les canards mais pas chez les dindes. Des investigations plus poussées sur les effets des FBs sur le métabolisme des céramides et sur les processus inflammatoires seraient nécessaires pour comprendre les différences de toxicité entre les dindes et les canards exposés aux FBs. / Fumonisins (FBs) are the major mycotoxins produced by Fusarium verticillioides and Fusarium proliferatum, which are found worldwide in maize and maize products. FBs toxic dose and clinical signs of toxicity vary from one species to another. FBs toxicity is commonly linked to their ability on blocking sphingolipids metabolism in all animal species, including avian species. Previous studies have demonstrated that ducks exhibit higher sensitivity to FBs toxicity than turkeys, whereas, the accumulation of sphinganine (Sa) in tissues is more pronounced in turkeys than in ducks. The objectives of our works were to investigate the causes which lead to different toxicity between ducks and turkeys to FBs exposure. The following three hypotheses were investigated: i) Toxicokinetics of fumonisin B2 in ducks and turkeys. ii) Ability of bird cells to protect themselves against high accumulation of free sphingolipids by increasing their catabolism (phosphorylation). iii) Other toxicity mechanisms of FBs rather than their alteration of sphingolipids metabolism (oxidative stress damage and inflammatory responses). The analysis of toxicokinetic parameters of fumonisin B2 did not provide a significant difference between ducks and turkeys. The measurement of simultaneous toxicity of FBs in ducks and turkeys confirmed higher sensibility of ducks. Also the accumulation of Sphingasine-1-Phosphate (Sa1P) in the liver correlated with the amount of Sa but not parameters of hepatic toxicity. Moreover, this study revealed that the amount of Sa in the liver was strongly dependent on the amount of FBs. On the other hand, FBs had no effect on oxidative damages parameters in both species. Interestingly, FBs had mild inflammatory response effect in ducks but not in turkeys. Further investigation on the effects of FBs on ceramide metabolism and inflammatory processes would be necessary to understand the different toxicity between ducks and turkeys to FBs exposure.