Séance du 16 février 2005

L'émergence et la Complexité Biologique

Jacques RICARD
Institut Jacques Monod, CNRS, Universités Paris 6 et Paris 7

Résumé
Les réseaux biologiques possèdent une organisation qui est en fait l'expression d'une information. Une fonction, I(X:Y)N , appelée information mutuelle d'intégration, définit, sur des bases quantitatives, trois types possibles d'organisation. Si I(X:Y)N = 0, les propriétés du système global XY peuvent être réduites à celles des sous-systèmes constitutifs X et Y. Ainsi, XY n'est pas un vrai système possédant des propriétés collectives, mais le simple regroupement de X et de Y. Ses propriétés sont simplement celles des sous-systèmes X et Y. Si I(X:Y)N >0, le système est intégré. Bien qu'il se comporte comme un tout cohérent, il ne possède que peu de propriétés collectives. Enfin, si I(X:Y)N <0, le système peut être considéré comme complexe, car il possède de nombreuses propriétés émergentes qui ne peuvent pas être prédites à partir de l'étude indépendante de ses deux sous-systèmes X et Y. Dans un système biologique, l'émergence d'information signifie habituellement l'émergence d'une fonction. C'est probablement ce qui se passe avec les enzymes. Si une protéine fixe deux ligands théoriquement capables d'interagir, et si la condition évoquée plus haut est satisfaite, alors la protéine se comporte comme une enzyme capable de catalyser effectivement la réaction chimique entre les réactifs considérés.

Abstract
Biological networks possess an organization that expresses their potential information. A function, I(X:Y)N , called mutual information of integration, define, on a quantitative basis, three types of organization. If I(X:Y)N = 0, the properties of the global system XY can be reduced to the properties of its component sub-systems X and Y. Hence, XY is not a real system displaying collective properties but the mere collection of X and Y. Its properties are the properties of the sub-systems X and Y. If I(X:Y)N >0 , the system is integrated. Although it behaves as a coherent whole, it does not possess many collective properties. Last, if I(X:Y)N ‹0, the system possesses emergent collective properties and can be considered complex for it possesses many collective properties that cannot be predicted from the independent study of component sub-systems X and Y. In a biological system, the emergence of information usually means the emergence of a novel function. This is probably what is occurring with enzymes. If a protein binds two ligands able to interact, and if the condition above is fulfilled, then the protein behaves as an enzyme able to allow a catalytic reaction between the two reagents.

Séance du 19 octobre 2005

La réparation cutanée

Les collagènes du derme : au-delà de leurs propriétés structurales
Florence Ruggiero, Muriel Roulet et Christelle Bonod-Bidaud
Institut de Biologie et Chimie des Protéines, UMR CNRS 5086, IFR128 BioSciences Lyon-Gerland, 7 Passage du Vercors, 69367 Lyon cedex 07.

Summary :
Dermis collagens: from their structural properties onwards.
The extracellular matrix is a complex network composed of macromolecules such as collagens, proteoglycans and elastin that strongly interact with each other and with cells to maintain the structural integrity of many tissues. These interactions also sustain important cell programs such as migration, proliferation, differentiation and apoptosis. The skin, and more specifically the dermis, contains an extreme diversity of macromolecules that reflects the importance of the composition and organization of the matrix components in providing physical properties and function of the tissues. The most abundant matrix components are the collagens that form a super-family of 27 different members which are divided into different subgroups. The fibrillar collagens, types I, III and V, the FACIT collagens, types XII, XIV and XVI, and the collagen VI are all expressed in the collagen-rich dermis. Although the structural features of these collagens are now well characterized, their functions remain elusive. Mutations in human collagen genes give rise to numerous connective tissue diseases including dermis disorders. For example, clinical manifestations in the classical Elhers-Danlos syndrome caused by collagen V gene mutations occur predominantly in the dermis. However, the genotype-phenotype relationship is not clearly established as well as the relation between the distribution and the function of the collagens in dermis. There is no doubt that the ongoing and future work using in vivo approaches will provide new cues regarding the function of collagens in dermis.

Résumé :
La matrice extracellulaire est un réseau complexe de macromolécules comme les collagènes, les protéoglycannes et l'élastine qui s'imbriquent fortement les unes aux autres et qui, par l'intermédiaire d'interactions avec les cellules environnantes, vont permettre le maintien de la cohésion tissulaire. C'est grâce à ces nombreuses connexions que se mettent en place la plupart des évènements importants pour les grands programmes cellulaires à savoir, la migration, la prolifération, la différenciation et l'apoptose. La peau, et plus particulièrement le derme, est un exemple parfait de cette grande variété de molécules dont l'organisation et la composition doivent être parfaitement maintenues afin d'assurer les propriétés biomécaniques et fonctionnelles de ce tissu. Les collagènes sont les composants les plus abondants des matrices extracellulaires et représentent une famille de protéines de 27 membres différents. Mais ce sont
surtout les collagènes fibrillaires I, III et V, les collagènes FACITs XII, XIV et XVI ainsi que le collagène de type VI qui sont les plus représentés dans le derme. Ces molécules sont à présent très bien caractérisées du point de vue de leur structure, mais leur fonction demeure toujours un peu floue. De nombreux gènes ont déjà été identifiés comme étant responsables de pathologies du tissu conjonctif et plus particulièrement de la peau. Les gènes codant le collagène V sont, par exemple, la cible de nombreuses mutations conduisant au syndrome d'Ehlers-Danlos classique qui est une maladie qui atteint principalement la peau et la structure du derme. Cependant, il semble clair qu'il est très difficile d'établir un lien réel entre génotype et phénotype mais également un lien entre la localisation et la fonction, pour ces molécules. Ce sont sans doute des études in vivo, dont nombreuses sont d'ailleurs en cours de réalisation, qui devraient apporter des réponses plus claires à toutes ces interrogations.

La peau reconstruite : modèle d'étude du kératinocyte, du fibroblaste et de leurs interactions. Effets des ultraviolets, dommages et réparation
Françoise BERNERD
L'Oréal Recherche, Centre C. Zviak, 90 rue du général Roguet, 92583 Clichy, France.

RESUME :
Le rôle de protection de la peau est apporté par les deux tissus majeurs, le derme et l'épiderme. L'une des principales agressions est l'exposition aux rayonnements ultraviolets solaires, dont les conséquences à long terme sont le vieillissement photo-induit et l'apparition de cancers. La caractérisation de la réponse de la peau face aux UV est un point essentiel pour prévenir ou corriger ces effets. L'approche in vitro dite organotypique consiste à reconstruire de la peau à partir de cellules humaines en culture et d'éléments matriciels. Ainsi le modèle de peau reconstruite peut comporter un épiderme différencié, mais aussi un derme équivalent vivant contenant des fibroblastes. Les effets induits par les UV B ont pu être reproduit dans le modèle. Ils sont localisés dans l'épiderme et sont identiques à ceux observés dans la peau humaine lors d'un coup de soleil modéré, notamment l'apparition dans les kératinocytes des lésions à l'ADN spécifiques des UVB. Des altérations caratéristiques d'exposition aux rayonnements UVA ont aussi été identifiées dans les fibroblastes et ont pu être reliées aux dommages dermiques associés au phénomène de photovieillissement. L'interaction entre les deux types cellulaires a été illustrée dans la production de la MMP-1. Les dommages occasionnés par les UV sont en général réparés par des systèmes spécialisés. Un modèle déficient dans la réparation des lésions induites par les UVB a pu être développé grace à l'utilisation de cellules de patients atteints de Xeroderma Pigmentosum, une maladie génétique de la réparation de l'ADN caractérisée par une hypersensibiltié aux UV et une très forte prédisposition aux cancers cutanés sur les zones exposées. Dans ces études des traits phénotypiques particuliers ont pu être révélés au niveau du fibroblaste XP-C suggérant des interactions stroma-épithélium impliquées dans le développement des signes cliniques. Enfin, dans un contexte de correction de certaines altérations de la peau photo-endommagée, des effets bénéfiques de la vitamine C ont été identifiés, particulièrment au niveau de la jonction dermo-épidermique (JDE). Ces effets ont ensuite permis d'approfondir la participation respective des deux types cellulaires majeurs dans la morphogénèse de la JDE. L'ensemble de ces travaux apporte une vison globale et tissulaire de la réponse aux rayonnements UV dans un système in vitro et illustre l'intérêt plus large de ces outils biologiques en biologie cellulaire. L'amélioration des modèles, notamment par l'incorporation d'autres types cellulaires, devrait permettre d'affiner encore nos connaissances.

SUMMARY :
Human reconstructed skin in vitro as a model to study the keratinocyte, the fibroblast and their interactions: photodamage and repair processes.
The protective role of the skin is provided by the two major compartments of the skin, dermis and epidermis. Both are affected in long term consequences of sun exposure such as skin photoaging and cancer development. Characterization of UV-induced skin response at cellular and molecular levels is needed for prevention or correction of these long term effects. The reconstructed human skin in vitro, comprising both a living dermal equivalent and a fully
differentiated epidermis represents a predictive tool to characterize wavelength and cell type
specific biological damage together with a tissular distribution. While UVB directly affects epidermis, inducing DNA lesions and apoptotic sunburn keratinocytes, UVA radiation can directly target the dermal compartment through ROS generation, dermal fibroblasts alterations and extracellular matrix (ECM) modifications. Interactions between the two compartments have also been found, especially for MMP1 induction. In the normal population, photodamage can be repaired through specialized systems. Using skin cells from Xeroderma pigmentosum (XP) patients, (a photosensitive and cancer-prone disease), a DNA-repair deficient skin in vitro has been developped. Specific features due to intrinsic XP cells phenotype have been discovered, some of them being indicative of early steps of neoplasia and suggest a particular role for stroma-epithelium interactions. Finally, human reconstructed skin can be used for approaches designed to regenerate photodamaged skin. The dermal-epidermal junction (DEJ), which is crucial for skin cohesion, is drastically altered in photo-aged skin. The three-dimensional skin model allowed to visualize the improving effects of vitamin C on the DEJ. Modified skin models, lacking one cell type, allowed us to determine the cellular origin of the different markers, their spatial localization, and the respective roles and interactions of keratinocytes and fibroblasts during DEJ formation. All together these studies give a global and tissular view concerning the effects of UV light on skin cells and emphazise the interest of such models for general aspects of cellular biology. By allowing the control of cells used to reconstruct the model and their origin, it is possible to assess the respective role of the two major cellular actors of the skin as well as their interactions. The permanent research to improve such models by incorporating other cell types may certainly raise to even more relevant models.

Les collagènes associés aux membranes basales et leurs matricryptines
Sylvie Ricard-Blum et Clément Faye
Institut de Biologie et Chimie des Protéines
UMR 5086 CNRS - UCBL, IFR 128 Biosciences Lyon-Gerland Lyon Cedex 07

SUMMARY :
Collagens associated to basement membranes and their matricryptins
The superfamily of collagens is comprised of 27 members (reviewed by Myllyharju & Kivirikko, 2004 - Ricard-Blum & Ruggiero, 2005 - Ricard-Blum et al., 2005 ), which are classified into several subgroups according to their structural features and supramolecular assemblies. Fibrillar collagens and FACITS (Fibril-Associated Collagens with Interrupted Triple helix) are described in the paper by Ruggiero et al. in this issue. Our paper reports recent advances on collagens associated to basement membranes. Due to space limitations, this paper is focused on the multiplexin family (including collagens
XV and XVIII) and on membrane collagens present in skin, namely collagens XIII and XVII. The mechanisms leading to the shedding of their ectodomain from cell membrane and the biological roles of their shedded domains are discussed.
The last part of the paper is devoted to several fragments of basement membrane collagens, called matricryptins or matrikins, and to their biological activities.

RESUME :
Les collagènes constituent une superfamille qui compte actuellement 27 membres (revues par Myllyharju & Kivirikko, 2004 - Ricard-Blum & Ruggiero, 2005 - Ricard-Blum et al., 2005 ) qui sont classés en plusieurs sous-groupes. Les collagènes fibrillaires ainsi que les collagènes associés aux fibrilles (FACITs: Fibril-Associated Collagens with Interrupted Triple helix) sont décrits dans l'article de Ruggiero et al. publié dans ce numéro. Notre article fait le point sur les avancées récentes concernant les collagènes associés aux membranes basales. En raison du nombre limité de pages, il sera plus particulièrement consacré aux multiplexines, les collagènes XV et XVIII, ainsi qu'aux collagènes XIII et XVII qui sont des protéines membranaires synthétisées notamment par les kératinocytes. Les mécanismes de libération ainsi que les rôles biologiques des ectodomaines de ces collagènes sont discutés. La dernière partie de l'article est consacrée aux fragments biologiquement actifs des collagènes associés aux membranes basales, fragments qui sont désignés collectivement sous le nom de matricryptines ou matrikines, et à leurs principales fonctions. Les matricryptines issues d'autres macromolécules extracellulaires présentes dans la peau ou dans la jonction dermo-épidermique font l'objet de la conclusion.

Interactions fonctionnelles entre la voie de signalisation du TGF-b par les Smads et le TNF-a : Implications dans la régulation de l'expression du collagène de type I
Franck VERRECCHIA
INSERM U697 Hôpital Saint-Louis, Pavillon Bazin, Paris

Summary :
TGF-b and TNF-a : antagonistic cytokines controlling type I collagen gene expression. The balance between production and degradation of type I collagen plays a critical role in the development and maintenance of organ and tissue integrity. Its also represents the most crucial element governing the process of tissue repair. TGF-b , a key player in the physiopathologiy of tissue repair, enhances type I collagene gene expression. In contrast, TNF-a , whose matrix-remodelling function is opposite to that of TGF-b , reduces type I collagen gene expression. This review focuses on transcriptional regulation of
type I collagen by TGF-b and TNF-a , and on the molecular mechanisms that control the antagonistic activity of TNF-a against TGF-b-driven type I collagen gene expression.

Résumé :
L'équilibre entre la production et la synthèse du collagène de type I joue un rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie tissulaire et dans le contrôle de la réparation tissulaire. Le TGF-b , qui joue un rôle essentiel dans le remodelage matriciel, augmente l'expression du collagène de type I. A l'opposé, le TNF-a , dont l'action sur le remodelage matriciel est opposée à celle du TGF-b, réprime l'expression du collagène de type I. Cette revue résume les connaissances actuelles sur la régulation transcriptionnelle du collagène de type I par le TGF-b et le TNF-a , et sur les mécanismes moléculaires gouvernant les interactions fonctionnelles entre la voie de signalisation du TGF-b et du TNF-a.

Potentiel thérapeutique des cellules souches mésenchymateuses humaines dans les lésions cutanées radioinduites.
Morad Bensidhoum1 , Stéphanie Gobin1,2 , Alain Chapel3, Gilles Lemaitre1,2, Stéphan Bouet4, Gilles Waksman1,2, Dominique Thierry3 et Michèle T Martin1,2.
1Service de Génomique Fonctionnelle, CEA, 2 rue Gaston Crémieux, Evry, 91057 France
Contribution égale des deux premiers auteurs

Résumé :
Les connaissances récentes acquises sur les cellules souches adultes permettent d'envisager des applications de thérapie cellulaire pour la cicatrisation cutanée. Les cellules mésenchymateuses (CSM), issues de la moelle osseuse, sont des cellules candidates pour une telle application car elles sont multipotentes. Après un traitement anticancéreux par radiothérapie, les séquelles cutanées sont fréquentes et posent des problèmes thérapeutiques non résolus. Nous avons donc testé chez la souris NOD/SCID la capacité de CSM d'origine humaine à participer à la cicatrisation d'une peau irradiée. Dans ce modèle, une lésion cutanée sur une patte arrière est obtenue par une exposition à 30 Gy de rayons gamma. Le pic de lésions est situé autour de la troisième semaine et la cicatrisation est complète à treize semaines. Les cellules souches humaines sont injectées par voie intraveineuse vingt quatre heures après irradiation. L'analyse du score clinique montre une diminution significative de la sévérité des lésions chez les souris greffées. Six semaines après l'exposition, la présence de cellules dérivées des CSM humaines est détectée dans les zones cicatricielles par PCR quantitative et en histologie. Ces premiers résultats montrent que les cellules souches mésenchymateuses injectées par voie intraveineuse sont capables de migrer vers une lésion cutanée et de participer directement à sa réparation. Ils ouvrent des perspectives de thérapie cellulaire par les CSM pour la cicatrisation cutanée.

Therapeutic effect of human mesenchymal stem cells in skin after radiation damage.
Summary :
At present, over 50% of all cancer patients receive radiotherapy at one stage in their treatment course. Inevitably skin is one of the most frequently damaged tissue due to its localization and constant turn-over. Our present goal is to reduce radiation-induced complications in human skin through stem cell therapy, particulary in human epidermis. Mesenchymal Stem Cells (MSCs) has been shown to be multipotent cells able to engraft in many tissues after injury. Herein, we isolated human MSCs and tested their capability to improve skin wound healing after irradiation. This potential was assessed in NOD/SCID mice which received 30 Gy locally on the thigh. This dose caused local epidermis necrosis within 3 weeks which was repaired within 13 weeks. MSCs have been intravenously injected in irradiated mice 24 hours after exposure. Establishment of a clinical scoring throughout the 6 weeks gave indications that human MSCs reduced the extent of damage and accelerated the wound healing process. We show by qPCR and histological studies the presence of human MSCs derived cells into the scar. Human MSCs homed to the damaged skin and participated to the wound healing process. These results open prospects for cellular therapy by MSCs in irradiated epithelial tissues and could be extended to all the general field of the cutaneous cicatrization, particularly after burning.

La biologie du follicule pileux
Bruno A.Bernard
L'OREAL Recherche, Centre C.Zviak, Clichy

Summary:
the biology of hair follicle
The human hair follicle is a unique appendage which results from epithelio-mesenchymal interactions initiated around the 3rd month of development. This appendage has a very complex structure, with more than 20 different cell types distributed into 6 main compartments, namely the connective tissue sheath, the dermal papilla, the outer root sheath, the inner root sheath, the shaft and the sebaceous gland. The pigmentation unit, responsible for hair color, is made of fully active melanocytes located on top of the dermal papilla. This complex appendage has a unique behavior in mammals since, after a hair production phase, it involutes in place before entering a resting phase after which it renews itself under a cyclical but stochastic way, out of a double reservoir of pluripotent stem cells able to also regenerate epidermis. The pigmentation unit also renews itself under a cyclical way, out of a melanocyte progenitor reservoir which progressively declines with time, provoking the hair whitening process. Finally, the shape of the hair shaft is programmed from the bulb. The hair follicle thus behaves as a fully autonomous skin appendage with its own hormonal control, its own autocrine and paracrine network, its own cycle, in a word it appears as an incredibly complex and stable structure which summarizes the main rules of tissue homeostasis.

résumé :
Le follicule pileux humain est une annexe de la peau, qui résulte d'interactions épithélio-mésenchymateuses initiées au troisième mois de la vie embryonnaire. Cette structure complexe comporte pas moins d'une vingtaine de types cellulaires répartis en six grands compartiments, à savoir la gaine conjonctive, la papille dermique, la gaine externe, la gaine interne, la tige pilaire et la glande sébacée. L'unité de pigmentation, responsable de la couleur du cheveu, est composée de mélanocytes constitutivement actifs, localisés à la périphérie et au sommet de la papille dermique. Le follicule pileux a l'unique propriété de se renouveler de façon cyclique, asynchrone et stochastique, à partir d'un double réservoir de cellules souches capables aussi de régénérer l'épiderme. Ce renouvellement touche aussi le compartiment pigmentaire, qui se régénère à partir d'un réservoir de mélanocytes progéniteurs, dont le déclin progressif avec le temps est responsable du blanchissement du cheveu. Enfin, la forme même du cheveu est programmée par le bulbe. Le follicule apparaît donc comme une annexe cutanée totalement autonome, avec son propre contrôle hormonal, son propre réseau de boucles autocrines et paracrines, son propre cycle, bref une structure incroyablement complexe et stable, qui résume à elle seule les grandes lois de l'homéostasie tissulaire.

Séance du 22 juin 2005

Les récepteurs de la vasopressine : structure fonctionnelle et transduction signalétique dans les cellules cibles
Jessica ROBERT & Eric CLAUSER
Département d'Endocrinologie et Métabolisme et Cancer - Institut Cochin
INSERM U567. UMR8104 CNRS - Université Paris V, Faculté de Médecine Cochin, Paris

Résumé :
La vasopressine, hormone hypothalamique exerce ses effets par l'intermédiaire de 3 récepteurs couplés aux protéines G. Les récepteurs V1a et V1b, associés à une protéine Gq et la phospholipase C, sont responsables des effets vasoconstricteur et régulateur de l'axe corticotrope respectivement. Le récepteur V2, couplé à une protéine Gs et l'adenylyl cyclase, est responsable de la réabsorption de l'eau au niveau du tube collecteur rénal.
Des mutations de ce dernier récepteur se sont avérées impliquées dans le diabète insipide et le défaut moléculaire le plus fréquent est un blocage du récepteur muté dans le réticulum endoplasmique (RE). Avec le récepteur V1b comme modèle, nous avons montré qu'une séquence C-terminale proximale était essentielle pour l'adressage membranaire du récepteur. Un mutant de ce domaine s'accumule dans le RE et est dégradé. Le SSR149415, antagoniste non peptidique du V1bR, perméant aux membranes biologiques, est cependant capable de rétablir le phénotype normal de ce mutant et agit donc comme un chaperon pharmacologique.

Summary:
Vasopressin receptors : structure/function relationships and signal transduction in target cells Vasopressin, a hypothalamic hormone, acts on its target tissues via 3 different G protein coupled receptors. The vasopressin V1a and V1b receptors, associated to Gq protein and phospholipase C, are responsible for vasoconstriction and regulation of the corticotroph axis respectively. The V2 vasopressin receptor is coupled to Gs protein and adenylyl cyclase and is responsible for water reabsorption in the renal collecting duct. Mutations of the V2 receptor are involved in diabetes insipidus and most of these mutations result in an endoplasmic reticulum (ER) retention of the mutated receptor. With the V1b receptor model, we have identified a proximal sequence of the C-terminal segment, which is crucial for ER export. Mutations in this short domain result in ER accumulation and degradation of the receptor. SSR149415, a nonpeptide antagonist of V1bR, which is permeable to cell membrane, is able to rescue tthe mutant phenotype and acts as a pharmacological chaperone.

Régulation par la vasopressine de la réabsorption de NaCl dans le tubule collecteur rénal
Alain Vandewalle,
INSERM U773, Centre de Recherche Biomédicale Bichat-Beaujon (CRB3), BP416, F 75018 Paris France; Université Paris 7 - Denis Diderot, site Bichat, Paris, F-75870 Paris, France

Summary:
Regulation by vasopressin of NaCl absorption in the renal collecting duct. In the kidney, the fine control of NaCl absorption takes place in the distal nephron and is controlled by aldosterone and vasopressin. This review summarizes the effects of vasopressin on Na+ transport mediated by the amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) and the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) Cl- conductance in immortalized or primary cultured cortical collecting duct cells expressing either the wild-type ENaC subunits or mutations or deletions of the PY domain of the b- or g -ENaC subunits responsible for Liddle's syndrome, an inherited form of hypertension due to excessive salt absorption.

Résumé :
Dans le rein, les parties terminales du tubule rénal sont le siège d'une régulation fine de la réabsorption de NaCl par la vasopressine et l'aldostérone. Cette revue résume les connaissances sur les effets de la vasopressine sur le transport de Na+ dépendant du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) et le canal chlorure cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) dans des lignées immortalisées et des cultures primaires de tubules collecteurs exprimant ou non des délétions du motif PY des sous-unités b- ou g -ENaC responsables de la maladie hypertensive de Liddle.