The purpose of this thesis project was to elucidate the immune transcriptomic changes in the diaphragm of mdx mice treated with microdystrophin gene therapy with and without running wheel activity. Mdx mice are a model of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). Similar to DMD, mdx pathophysiology is associated with chronic inflammation due to sarcolemma fragility and cellular membrane leakage. Immune modulation has not yet been described when endurance exercise and AAV-microdystrophin gene therapy have been combined in mdx mice. An increase of physical activity in DMD individuals is a potential outcome of current clinical studies investigating microdystrophin treatment; therefore, understanding the impacts of physical activity on the immune system, particularly for the diaphragm, may be important to minimize risk. Recently, the Grange lab published the endurance and contractile property outcomes of combined microdystrophin gene therapy and running wheel activity in mdx mice.1 Diaphragm RNA-seq transcriptomic data were also collected from this study for gene expression analysis. Using this dataset, I tested the hypothesis that relative to mdxGT (mdx mice treated with gene therapy), transcripts related to the immune response such as immune cell recruitment, activation, and downstream signals that promote fibrosis deposition were unchanged or downregulated in mdxRGT (mdx mice treated with gene therapy and access to running wheel). DEGs (differentially expressed genes) were analyzed with Microsoft Excel, R, and bioinformatic tools such as KEGG and DAVID to explain immune system adaptations in response to combined microdystrophin treatment and running in mdx mice. Two major inflammatory signaling pathways, the IL-6/JAK/STAT and NF-kB signaling pathways translationally relevant to DMD patients were rescued by gene therapy towards WT expression levels. Although running maintained the majority of the rescued transcriptome profile (691 of 724 genes), some immune response-related gene expressions (33 of 724 genes) were modulated including genes related to chemotaxis and cellular migration. These changes suggested potential signaling for angiogenesis and a fast to slow fiber type shift; however, unbiased analysis with bioinformatic tools did not confirm either of these possibilities. The data from this study revealed inflammatory and fibrotic signaling pathways commonly observed in DMD patients and mdx mice were rescued by the AAV microdystrophin gene therapy and were maintained by voluntary wheel running / Master of Science / Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is an X chromosome-linked muscular dystrophy, a genetic disease that affects around 1 in 14,000 boys globally. DMD is lethal and currently there is no cure. Mutations in the DMD gene results in the absence of the protein dystrophin. The dystrophin protein and other proteins associated with it provide structural support to the skeletal muscle membrane. Without it, muscles are more easily damaged during contraction. This damage promotes recruitment of immune cells which initiates the first stage of muscle repair. Under normal circumstances, this inflammatory reaction caused by immune cells restores the skeletal muscles. However, in DMD patients, repeated breakdown and regeneration of skeletal muscles leads to abnormal inflammation which promotes negative outcomes such as increased fibrosis. Fibrosis impairs muscle function, especially the diaphragm . Hamm et al., 2021 from the Grange lab investigated the effects of microdystrophin gene therapy and increased physical activity in mdx mice, a mouse model of DMD, with the idea that some of the negative changes with muscular dystrophy could be improved. The results showed a positive increase of endurance capacity in mdx mice treated with gene therapy alone (mdxGT group) and a greater increase if the mice also used a running wheel (mdxRGT group) compared to untreated mdx mice (mdx group). These findings suggested that gene therapy can increase a DMD patient's ability to become more physically active. However, the effects of running and microdystrophin gene therapy on the damaging inflammatory response in the diaphragm were not reported. To address this question, gene expression data from diaphragm muscles of all treatment groups were collected in the Hamm et al., 2021 study for later analysis. In my study, these diaphragm gene expression data were used to compare inflammatory signals between the various treatment groups. Indicators of skeletal muscle damage, immune cell accumulation and fibrosis deposition were rescued (i.e., returned to healthy mice levels) by microdystrophin gene therapy (mdxGT group). Running did not exert any negative effects on the majority of genes rescued by the microdystrophin therapy (mdxRGT group). These results indicated that voluntary wheel running could maintain the reduced inflammatory signals due to the microdystrophin gene therapy in mdx mice. If the function of the skeletal muscle of dystrophic boys was similarly improved by microdystrophin gene therapy and exercise did not interfere with its positive effects, DMD boys could potentially be physically active similar to normal boys of their age.

La mémoire immunologique est le mécanisme biologique fondamental à la base du développement de la vaccination. La compréhension de ce mécanisme ainsi que de ses interactions avec les différents acteurs du système immunitaire a permis l’élaboration de vaccins qui sont aujourd’hui les garants d’une protection accrue face à l’émergence de maladies infectieuses potentiellement mortelles. La voie d’injection et le mode de transfert de ces vaccins sont des paramètres majeurs à prendre en considération car ils définissent une modulation des réponses immunitaires et de leurs spécificités d’action. De nos jours, seule la voie intramusculaire demeure la voie majoritaire d’administration de vaccins lors de la prophylaxie primaire en santé humaine. Au cours de notre étude, nous nous sommes intéressés à comparer l’injection d’un antigène (l’ovalbumine) selon deux voies d’administration : la voie intramusculaire et la voie intradermique. Nous nous sommes également appuyés sur une technologie du laboratoire qui consiste à transférer des gènes par des vecteurs AAV2/1 recombinants. Nous disposions de deux constructions de ces vecteurs ayant une spécificité pour cibler les cellules musculaires et permettant l’apport d’un effet auxiliaire par les lymphocytes T CD4+ lors d’injections dans des souris femelles. De plus, une de ces constructions nous permettait d’éviter la voie de présentation directe de l’antigène par les cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T CD8+. Les capacités modulatrices de ces vecteurs nous permirent de montrer pour la première fois que le vecteur AAV2/1 recombinant était capable de faire exprimer un transgène au sein de la peau et d’y générer une réponse cellulaire forte. Nous avons également montré qu’il existait une synergie d’action entre l’effet auxiliaire et la voie intradermique qui améliorait considérablement les réponses cellulaires issues de la présentation croisée d’antigène. Enfin, nous avons pu démontrer que les lymphocytes T CD8+ générés suite à cette synergie d’action présentaient un profil phénotypique de cellules mémoires polyfonctionnelles et capables de protéger l’hôte face à un challenge pathogénique. / Immunological memory is the fundamental biological mechanism at the beginning of the development of vaccination. Understanding this mechanism and its interactions with the various players of the immune system has allowed the development of vaccines that are today the most effective barrier against the emergence of life-threatening infectious diseases. Route of injection and the nature of carriers of these vaccines are key parameters to be taken into consideration because they define a modulation of immune responses and their specific features. Nowadays, only the intramuscular injection route remains the major route of vaccines injection in the context of primary prophylaxis in human health. During our study, we were interested in comparing the injection of antigen (ovalbumin) following two routes of administration: intramuscular and intradermal routes. We also relied on a technology in the laboratory that involves the transfer of genes by rAAV2/1 vectors. We had two constructs of these vectors having specificity to target skeletal muscle cells and allowing us to provide a helper effect from CD4+ T cells during injections into female mice recipients. Moreover, one of these constructs enabled us to avoid the direct presentation of antigens by dendritic cells (DCs) to CD8+ T cells. The capacity of modulation of these vectors allowed us to show for the first time that the rAAV2/1 vector was able to trigger the expression of a transgene in the skin, and there to generate a strong cellular response. We have also shown that CD4+ T cell help and the intradermal route of immunization synergize to improve greatly cellular responses from the cross-presentation of antigens. Finally, we have demonstrated that CD8+ T cells generated following this synergism exhibited a phenotypic profile of polyfunctional memory cells and able to protect the host against a pathogenic challenge.

La mémoire immunologique est le mécanisme biologique fondamental à la base du développement de la vaccination. La compréhension de ce mécanisme ainsi que de ses interactions avec les différents acteurs du système immunitaire a permis l’élaboration de vaccins qui sont aujourd’hui les garants d’une protection accrue face à l’émergence de maladies infectieuses potentiellement mortelles. La voie d’injection et le mode de transfert de ces vaccins sont des paramètres majeurs à prendre en considération car ils définissent une modulation des réponses immunitaires et de leurs spécificités d’action. De nos jours, seule la voie intramusculaire demeure la voie majoritaire d’administration de vaccins lors de la prophylaxie primaire en santé humaine. Au cours de notre étude, nous nous sommes intéressés à comparer l’injection d’un antigène (l’ovalbumine) selon deux voies d’administration : la voie intramusculaire et la voie intradermique. Nous nous sommes également appuyés sur une technologie du laboratoire qui consiste à transférer des gènes par des vecteurs AAV2/1 recombinants. Nous disposions de deux constructions de ces vecteurs ayant une spécificité pour cibler les cellules musculaires et permettant l’apport d’un effet auxiliaire par les lymphocytes T CD4+ lors d’injections dans des souris femelles. De plus, une de ces constructions nous permettait d’éviter la voie de présentation directe de l’antigène par les cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T CD8+. Les capacités modulatrices de ces vecteurs nous permirent de montrer pour la première fois que le vecteur AAV2/1 recombinant était capable de faire exprimer un transgène au sein de la peau et d’y générer une réponse cellulaire forte. Nous avons également montré qu’il existait une synergie d’action entre l’effet auxiliaire et la voie intradermique qui améliorait considérablement les réponses cellulaires issues de la présentation croisée d’antigène. Enfin, nous avons pu démontrer que les lymphocytes T CD8+ générés suite à cette synergie d’action présentaient un profil phénotypique de cellules mémoires polyfonctionnelles et capables de protéger l’hôte face à un challenge pathogénique. / Immunological memory is the fundamental biological mechanism at the beginning of the development of vaccination. Understanding this mechanism and its interactions with the various players of the immune system has allowed the development of vaccines that are today the most effective barrier against the emergence of life-threatening infectious diseases. Route of injection and the nature of carriers of these vaccines are key parameters to be taken into consideration because they define a modulation of immune responses and their specific features. Nowadays, only the intramuscular injection route remains the major route of vaccines injection in the context of primary prophylaxis in human health. During our study, we were interested in comparing the injection of antigen (ovalbumin) following two routes of administration: intramuscular and intradermal routes. We also relied on a technology in the laboratory that involves the transfer of genes by rAAV2/1 vectors. We had two constructs of these vectors having specificity to target skeletal muscle cells and allowing us to provide a helper effect from CD4+ T cells during injections into female mice recipients. Moreover, one of these constructs enabled us to avoid the direct presentation of antigens by dendritic cells (DCs) to CD8+ T cells. The capacity of modulation of these vectors allowed us to show for the first time that the rAAV2/1 vector was able to trigger the expression of a transgene in the skin, and there to generate a strong cellular response. We have also shown that CD4+ T cell help and the intradermal route of immunization synergize to improve greatly cellular responses from the cross-presentation of antigens. Finally, we have demonstrated that CD8+ T cells generated following this synergism exhibited a phenotypic profile of polyfunctional memory cells and able to protect the host against a pathogenic challenge.

La mémoire immunologique est le mécanisme biologique fondamental à la base du développement de la vaccination. La compréhension de ce mécanisme ainsi que de ses interactions avec les différents acteurs du système immunitaire a permis l’élaboration de vaccins qui sont aujourd’hui les garants d’une protection accrue face à l’émergence de maladies infectieuses potentiellement mortelles. La voie d’injection et le mode de transfert de ces vaccins sont des paramètres majeurs à prendre en considération car ils définissent une modulation des réponses immunitaires et de leurs spécificités d’action. De nos jours, seule la voie intramusculaire demeure la voie majoritaire d’administration de vaccins lors de la prophylaxie primaire en santé humaine. Au cours de notre étude, nous nous sommes intéressés à comparer l’injection d’un antigène (l’ovalbumine) selon deux voies d’administration : la voie intramusculaire et la voie intradermique. Nous nous sommes également appuyés sur une technologie du laboratoire qui consiste à transférer des gènes par des vecteurs AAV2/1 recombinants. Nous disposions de deux constructions de ces vecteurs ayant une spécificité pour cibler les cellules musculaires et permettant l’apport d’un effet auxiliaire par les lymphocytes T CD4+ lors d’injections dans des souris femelles. De plus, une de ces constructions nous permettait d’éviter la voie de présentation directe de l’antigène par les cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T CD8+. Les capacités modulatrices de ces vecteurs nous permirent de montrer pour la première fois que le vecteur AAV2/1 recombinant était capable de faire exprimer un transgène au sein de la peau et d’y générer une réponse cellulaire forte. Nous avons également montré qu’il existait une synergie d’action entre l’effet auxiliaire et la voie intradermique qui améliorait considérablement les réponses cellulaires issues de la présentation croisée d’antigène. Enfin, nous avons pu démontrer que les lymphocytes T CD8+ générés suite à cette synergie d’action présentaient un profil phénotypique de cellules mémoires polyfonctionnelles et capables de protéger l’hôte face à un challenge pathogénique. / Immunological memory is the fundamental biological mechanism at the beginning of the development of vaccination. Understanding this mechanism and its interactions with the various players of the immune system has allowed the development of vaccines that are today the most effective barrier against the emergence of life-threatening infectious diseases. Route of injection and the nature of carriers of these vaccines are key parameters to be taken into consideration because they define a modulation of immune responses and their specific features. Nowadays, only the intramuscular injection route remains the major route of vaccines injection in the context of primary prophylaxis in human health. During our study, we were interested in comparing the injection of antigen (ovalbumin) following two routes of administration: intramuscular and intradermal routes. We also relied on a technology in the laboratory that involves the transfer of genes by rAAV2/1 vectors. We had two constructs of these vectors having specificity to target skeletal muscle cells and allowing us to provide a helper effect from CD4+ T cells during injections into female mice recipients. Moreover, one of these constructs enabled us to avoid the direct presentation of antigens by dendritic cells (DCs) to CD8+ T cells. The capacity of modulation of these vectors allowed us to show for the first time that the rAAV2/1 vector was able to trigger the expression of a transgene in the skin, and there to generate a strong cellular response. We have also shown that CD4+ T cell help and the intradermal route of immunization synergize to improve greatly cellular responses from the cross-presentation of antigens. Finally, we have demonstrated that CD8+ T cells generated following this synergism exhibited a phenotypic profile of polyfunctional memory cells and able to protect the host against a pathogenic challenge.

Une des principales caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) est l'accumulation intracérébrale du peptide neurotoxique Amyloïde β (Aβ) sous forme oligomérique et sous forme agrégée en plaques amyloïdes. Ce peptide est le produit du clivage de l'Amyloid Precursor Protein (APP) selon la voie amyloïdogène, voie pathologique suractivée dans la MA. La majorité des recherches, au cours des 25 dernières années, se sont concentrées sur les conséquences pathologiques de cette dérégulation, mettant au second plan la compréhension des fonctions physiologiques de l’APP. Cependant, de nombreuses études montrent que ses fonctions physiologiques pourraient être médiées par ses formes solubles (APPs). Dans la voie de clivage physiologique, la voie non-amyloïdogène, l’APP est clivé par l’α secrétase pour libérer l’APPsα, peptide disposant de propriétés neuroprotectrices et synaptotrophiques, essentielles au bon fonctionnement cérébral. Dans le contexte de la MA, la suractivation de la voie amyloïdogène va aboutir à la production de l’APPsβ au détriment de celle d’APPsα. Les conséquences fonctionnelles associées à la maladie d’Alzheimer pourraient ainsi être dues à la diminution de la production d’APPsα associée à une augmentation de la production d’APPsβ. Mon projet de thèse porta sur les conséquences mnésiques et fonctionnelles de la surexpression de ces deux formes et à leur potentiel thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord surexprimé l’APPsα dans les neurones de l’hippocampe de souris transgéniques APP/PS1ΔE9, modèle de la MA, qui présentent des déficits cognitifs et synaptiques. L’expression continue d’APPsα, à l’aide de vecteurs AAV, permet la restauration des performances mnésiques des souris, de la potentialisation à long terme (LTP) ainsi que du nombre d’épines dendritiques dans l’hippocampe. Ce sauvetage phénotypique s’accompagne de la diminution conjointe des niveaux d’Aβ et des plaques amyloïdes. Ceci serait en partie la conséquence de l’activation de la microglie, type cellulaire ayant la capacité d’internaliser et de dégrader l’Aβ. Mon second axe de recherche a consisté à étudier l’APPsβ dont l’implication dans la MA reste méconnue. Sa surexpression dans le modèle murin APP/PS1ΔE9 n’induit pas de restauration de la LTP ni de la mémoire spatiale. Néanmoins, l’injection d’APPsβ aboutit à la diminution de la concentration en Aβ solubles sans cependant réduire le nombre de plaques amyloïdes. Ce défaut pourrait-être la conséquence de l’absence d’activation microgliale. En résumé, mon travail de thèse montre que, contrairement à l’APPsβ, la surexpression d’APPsα pourrait contrecarrer l’évolution inéluctable de la maladie et en particulier en réduisant l’atteinte synaptique et mnésique caractéristique de la MA. Ces résultats renforcent une nouvelle voie d’action pour lutter contre la progression de la MA. L’utilisation de l’APPsα en tant qu’agent thérapeutique pourrait ainsi s’avérer être un élément important dans l’arsenal clinique de ces prochaines années. / One of the main characteristic of Alzheimer’s Disease (AD) is the intracerebral accumulation of the neurotoxic Amyloid β peptide (Aβ) either as oligomeric or aggregated forms known as the amyloid plaques. This peptide is produced via the Amyloid Precursor Protein (APP) processing following the amyloidogenic pathway, pathological pathway overactivated in AD. Most of the research performed during the last 25 years focused on pathogenic consequences of this dysregulation, deprioritizing the understanding of the APP physiological functions. Nonetheless, numerous studies show that these physiological functions might be mediated via APP soluble forms (APPs). In the physiological APP processing pathway, the non-amyloidogenic pathway, APP is cleaved by the α secretase, releasing the APPsα which display neuroprotective and synaptotrophic properties, essential for brain normal functions. In the context of AD, the amyloidogenic pathway overactivation leads to APPsβ overproduction at the expense of APPsα. Therefore, AD harmful consequences could be due to the decrease of APPsα concentration associated with an increase of APPsβ. My thesis project aimed to characterize mnemonic and functional properties following the overexpression of these two soluble forms of APP and their therapeutic potential in AD. We firstly overexpressed APPsα in hippocampal neurons of APP/PS1ΔE9 mice, animal model of AD, which display cognitive and synaptic deficits. The continual expression of APPsα, mediated via AAV viruses, enabled restoration of spatial memory, long-term potentiation and dendritic spines density in the hippocampus. This phenotypic rescue was accompanied with the decrease of both Aβ levels and amyloid plaques. This might be due to the activation of microglia, cell type able to internalize and degrade Aβ. In a second hand, I studied the involvement of APPsβ in AD, which remains poorly known. Its overexpression in APP/PS1ΔE9 did not induce neither LTP nor spatial memory restoration. However, APPsβ injection lead to the decrease of Aβ levels without reducing amyloid plaques. This default might be due to the lack of microglial activation. In conclusion, my thesis work show that, unlike APPsβ, APPsα overexpression might overcome the AD inevitable evolution by reducing synaptic and memory alterations, typical of AD. These results reinforce a new way of treatment to cope with AD progression. The use of APPsα as therapeutic agent might be an important tool for future AD therapies.

Les vecteurs viraux dérivés du virus adéno-associé (AAV) apparaissent depuis deux décennies, comme des outils efficaces pour le transfert de gène in vivo. Cependant, malgré une faible immunogénicité et une absence de toxicité in vivo, leur optimisation requiert encore un effort important vers une meilleure compréhension de leur biologie et, en particulier, de leur interaction avec le système immunitaire. Au cours de ce travail de thèse, nous avons utilisé une méthode de sélection dirigée in vitro dans le but d’obtenir un variant de capside capable de transduire efficacement un type cellulaire non-permissif aux vecteurs AAV : les cellules dendritiques (DC). En effet, ces cellules jouent un rôle primordial dans l’établissement de la réponse immunitaire et, par conséquent, dans la persistance de l’expression du transgène in vivo. Cette technologie, très répandue dans la communauté AAV, a permis de sélectionner un variant de capside aux propriétés très intéressantes. La mutation sélectionnée, caractérisée in vitro comme induisant une instabilité de la capside, a permis d’identifier et de surmonter un point de blocage majeur dans le processus de transduction des DC par les vecteurs AAV consistant dans l’étape de décapsidation du génome du vecteur dans le noyau cellulaire. De manière intéressante, le variant obtenu exhibe un avantage en terme de transduction non seulement dans les DC mais aussi dans différents modèles de cellules primaires humaines (e.g. HUVEC) ou animales (OBC), peu ou pas permissive à l’AAV. De plus, des expériences de transfert de gène in vivo réalisées dans un modèle murin, indiquent que le variant sélectionné conduit à une meilleure expression du transgène, possiblement due à la mise en place d’un processus de tolérisation. Les propriétés remarquables de ce variant de capside, font de lui un candidat intéressant pour des applications médicales. / Vectors derived from the Adeno-associated virus (AAV) have emerged as an efficient system for in vivo gene transfer. However, despite their low immunogenicity and good tolerance in vivo, a better characterization of the host-AAV interaction is required to be able to fully exploit AAV’s potential fora gene therapy or gene vaccination. In this PhD project, we have used an in vitro directed evolution strategy to select an AAV capsid variant able to transduce human dendritic cell (DC), a non-permissive cell type which plays a critical role in the initiation of immune responses and, consequently, on the persistence of the expression of transgene in vivo. This procedure allowed us to identify an AAV variant characterized by a decreased stability of the capsid in vitro. The use of this mutant as a vector to transduce human DC resulted in an improved uncoating of the vector genome in the cell nucleus, thus identifying this step as major barrier toward DC transduction. Interestingly, the selected variant also displayed an increased transduction efficiency not only in DC but also in different primary human and animal cell types, poorly or non-permissive to AAV. Finally, when injected in mice, this AAV variant resulted in a higher expression of the transgene, associated to a low level of immune responses, suggesting the induction of tolerant state. The remarkable features suggest that our selected variant capsid is a promising candidate for medical applications.

La dystrophie myotonique de type 1 (DM1), est une maladie génétique héréditaire affectant environ 1/8000 personnes. Les patients souffrant de DM1 développent essentiellement des troubles musculaires tels qu’une faiblesse et une atrophie musculaire. La cause de la DM1 est expliquée par la mutation du gène "DMPK". Lors de ma thèse, j’ai pu démontrer que l’épissage de l’ARNm BIN1 était altéré dans le muscle DM1. En effet, l’exon 7 de BIN1, qui est absent du muscle normal, est exprimé de façon aberrante chez les patients DM1. En utilisant un modèle murin, j’ai prouvé que l’expression forcée de l’exon 7 de BIN1 altérait simultanément la structure et la fonction du muscle. Nous avons notamment observés une diminution de la taille des fibres musculaires et une augmentation de la faiblesse musculaire, comparé à des souris normales. Par conséquent, ce travail aidera à la compréhension du mécanisme de la maladie et pourrait expliquer les causes de la faiblesse musculaire et de l’atrophie. / Myotonic dystrophy of type 1 (DM1), is an inherited genetic disease affecting around 1 in 8000 person. Patients suffering from DM1 develop essentially muscle disorders such as muscle weakness, muscle loss and atrophy. The cause of DM1 is explained by the mutation of a gene called “DMPK“.During my thesis, I discovered that the alternative splicing of BIN1 mRNA was altered in the muscle of DM1 patients. Indeed, the BIN1 exon 7, which is normally absent in healthy muscle, is aberrantly expressed in DM1 muscle. By using a mouse model, I found that the forced expression of BIN1 exon 7 was responsible of the alteration of both muscle structure and function. Notably, we found a decrease in muscle fibers area (atrophy) and an increase of muscle weakness, compared to wild-type mice. Therefore, this work will help in the understanding of the disease mechanism and could explain the causes of muscle weakness and atrophy, which have never been elucidated to this date.

DYRK1A es uno de los principales genes candidatos que podrían explicar algunos de los defectos neurológicos asociados al fenotipo Síndrome de Down (SD); desde el retraso mental, rasgo común a todos los individuos con SD hasta los déficits motores, también muy frecuentes entre la población con SD. Con el fin de validar la implicación de DYRK1A en el fenotipo SD se ha desarrollado una estrategia de terapia génica basada en la reducción de la expresión del gen mediante interferencia del RNA, en el modelo transgénico TgDyrk1A, y se han evaluado los efectos en el fenotipo motor de estos animales. Además se ha estudiado la implicación de los receptores glutamatérgicos de tipo NMDA en las alteraciones motoras descritas en el modelo. Los resultados obtenidos en este trabajo ponen de manifiesto la validez de la estrategia desarrollada y apuntan a una desregulación de los receptores de NMDA como uno de los mecanismos moleculares subyacentes de las disfunción motora presente en el modelo TgDyrk1A. / The are growing evidences to consider DYRK1A as a candidate gene for some of the neurological alterations present in DS phenotype such as mental retardation which is a common feature in the syndrome, or motor deficits which show a high prevalence among DS individuals. With the aim to validate the contribution of Dyrk1A to DS phenothype, we have developped a gene therapy strategy based on RNA interference to reduce gene expression in the transgenic model TgDyrk1A, and we have evaluated the effects in the motor phenotype of these animals. Moreover, we have studied the implication of the NMDA glutamate receptor in the motor alterations present in the model. The results obtained validate the strategy developped and suggest the deregulation of the NMDA receptor as one of the main causes underlying motor dysfunction in TgDyrk1A mice.

Photoreceptors are of prime importance for humans, since vision is one of the most important senses for us. In our daily life, where nearly every action is dependent on visual input, an impairment or a loss of eyesight leads to severe disability. With a non-syndromic prevalence of 1:4000, retinitis pigmentosa, a collective term for a group of inherited retinal eye diseases, represents, together with age-related macula degeneration, one of the main causes for visual impairment and blindness in industrialized countries. The dominant reason for vision loss is, in both cases, the irreversible loss of photoreceptor cells located in the outer nuclear layer of the retina. To date, no effective treatment is available to preserve or regain visual function in affected patients. Recent promising strategies for new retinal therapeutical approaches focus on one hand on the development of gene therapies, where an introduced wild-type allele compensates a mutated gene, and on the other hand on cell therapies, where stem or photoreceptor precursor cells (PPCs) are transplanted to the sub-retinal space to replace degenerated host photoreceptors. The current study is subdivided into three parts, addressing the issue of non-reversible photoreceptor cell loss due to retinal degenerative diseases by investigating in the first two parts new qualitative as well as quantitative approaches in the field of retinal cell therapy, while in the third part an ocular gene therapeutical approach targeting prominin-1, a gene involved in retinal degenerative disorders, was investigated. Briefly, this study shows in the first part, a significant enhancement of the integration rate of PPCs in wild-type host retinas, achieved by pre-transplantational sorting, using the recently discovered PPC - specific cell surface marker CD73. This sets another step further towards retinal cell therapy by increasing the effectiveness of such treatment. Next to this quantitative approach, it is also shown that the quality of transplanted photoreceptor precursor cells is comparable to native photoreceptors by demonstrating, that an indispensable prerequisite of every photoreceptor cell, the outer segment, is developed by transplanted PPCs after proper integration. Importantly, transplanted PPCs develop native outer segments even when not integrated in the host tissue but located in the sub-retinal space, as it is predominantly observed after transplantation into severely degenerated retinas. These results substantiate the feasibility of cell therapeutical treatment of severely degenerated retinas. At the end of this part, it is demonstrated, that outer segments are not formed properly by PPCs transplanted to the vitreal side of the retina. This suggests an influence of signaling molecules, presumably secreted by retinal pigment epithelial cells into the sub-retinal space, on transplanted PPC final differentiation. Since intensive research is done to differentiate stem cells into PPCs for cell therapeutical transplantation, these results may contribute significantly to this research by demonstrating, that factors secreted by the retinal pigment epithelium might play a crucial role for successful stem cell to PPC differentiation. The last part of my work investigates a gene therapeutical approach to cure inherited retinal degenerative diseases. One gene, where reported mutations cause retinal degeneration in humans is prominin-1, a protein expressed at cell membrane evaginations in a variety of cell types. Interestingly, the prominin-1 knock-out mouse is characterized exclusively by disorganized photoreceptor outer segment formation and progressive retinal degeneration. Successful delivery of a wild-type form of mouse prominin-1 using adeno-associated viral vector transfer, into the photoreceptors of prominin-1 - deficient mice is demonstrated. The divergent results show on one hand a rescue of the thickness of the photoreceptor outer nuclear layer on a short time period (3 weeks post treatment), and on the other hand long-term data (8-10 weeks post treatment) suggests histologically as well as functionally a negative effect on treated photoreceptors. This might be due to effects caused by an over-expression of prominin-1 and will be investigated in future studies. In conclusion, distinct and important investigations were made which contribute significant puzzle pieces to new cell- as well as gene therapeutical approaches for the treatment of retinal degenerative disorders.

La glycogénose de type Ia (GSDIa) est une maladie métabolique rare causée par un déficit en glucose-6- phosphatase (G6Pase), menant à l'absence de production endogène de glucose. Cette pathologie est caractérisée par des hypoglycémies sévères, une hépatomégalie et une stéatose hépatique ainsi qu'une néphromégalie. En absence de traitement curatif, la prise en charge de cette maladie repose actuellement sur des mesures diététiques très strictes. Cependant, des complications apparaissent avec l'âge comme le développement de tumeurs hépatiques et la progression de la néphropathie vers l'insuffisance rénale. Afin d'étudier l'évolution de cette pathologie à long terme, nous avons utilisé des modèles murins originaux présentant une invalidation du gène de la sous-unité catalytique de la G6Pase spécifiquement au niveau du foie ou des reins. Dans ce travail, nous avons démontré que la déficience en G6Pase uniquement au niveau des reins est suffisante pour entrainer le développement de la pathologie rénale de la GSDIa. Les souris déficientes en G6Pase hépatique nous ont permis de mettre en évidence les effets délétères d'une consommation modérée de fructose ou de galactose et d'une alimentation riche en lipides, de type « cafétéria », sur la pathologie hépatique de la GSDIa, en particulier sur le développement tumoral. Nous avons également démontré chez ces souris l'efficacité et l'innocuité d'un traitement par thérapie génique ciblant le foie. Le transfert de gène avec un vecteur lentiviral, permettant l'intégration du transgène au génome, semble plus efficace qu'avec un vecteur AAV pour prévenir le développement de la pathologie hépatique de la GSDIa et l'apparition des tumeurs / Glycogen storage disease type Ia (GSDIa) is a rare metabolic disease caused by glucose-6-phosphatase (G6Pase) deficiency, leading to the absence of endogenous glucose production. This pathology is characterized by severe hypoglycemia, hepatomegaly, hepatic steatosis and nephromegaly. In the absence of a curative therapy, the current treatments available consist in strict dietary management. However, various complications occur with aging, such as hepatic tumor development and progressive chronic renal disease leading to renal failure. In order to study the long term pathology development, we used original mouse models, presenting an invalidation of the gene encoding the G6Pase catalytic subunit, specifically in the liver or in the kidneys. In this work, we demonstrated that renal G6Pase deficiency alone is sufficient to induce the development of the GSDIa nephropathy. Mice with liver-specific G6Pase deficiency allowed us to highlight the deleterious effects of high-fat diet, such as « fast-food » diet, as well as moderate consumption of fructose or galactose on the hepatic GSDIa pathology, particularly on tumor development. Furthermore, we demonstrated the efficiency and innocuity of gene therapies targeting the liver in these mice. Gene transfer with a lentiviral vector, allowing transgene integration into the genome, seems to be more efficient than an AAV vector in preventing the development of hepatic GSDIa pathology and tumor formation