<p>Bmi1 is a member of the Polycomb Group proteins and has been demonstrated as being vital in stem cell regulation. Bmi1 is overexpressed in many cancers, including glioblastoma, and has been shown to regulate cancer cell self-renewal and proliferation both <em>in vitro</em> and <em>in vivo</em>. This study aimed to determine if Bmi1 modulates brain tumour initiating cell properties using a spontaneous primary glioblastoma cell line and a commercial glioblastoma cell line. To determine the role of Bmi1 in glioblastoma cells, stem cell assays and <em>in vivo</em> analysis of tumour formation was performed on both control cells and Bmi1 knockdown cells. In both cell lines, Bmi1 was found to play a positive regulatory role in stem cell properties. When Bmi1 was knocked down in brain tumour initiating cells, properties such as self-renewal, proliferation and tumour formation were impaired compared to control cells. This study supports recent literature which shows that Bmi1 regulates stem cell properties in glioblastoma cells and supports the potential use of Bmi1 as a therapeutic target in glioblastoma brain tumours.<strong><br /> </strong></p> / Master of Science (MSc)

Brain tumors represent a leading cause of cancer mortality, of which medulloblastoma (MB) and glioblastoma (GBM) represent the most frequent malignant pediatric and adult brain tumors, respectively. The identification of a rare clonal population of cells, termed cancer stem cells (CSCs) or brain tumor-initiating cells (BTICs), as having the ability to initiate, proliferate, and maintain tumor growth has offered a developmental framework for studying MB and GBM. Evidence in support of cell signaling programs carried forward from brain development into oncogenesis have provided opportunities for BTIC-directed therapies targeting the key BTIC property of self-renewal. Given that neural stem cells (NSCs) must maintain a relative balance between self-renewal and differentiation, brain tumorigenesis may be conceptualized as a disease of unregulated BTIC self-renewal. In this work, I aim to demonstrate the re-emergence of self-renewal genes that regulate NSCs in BTICs, use the Wnt pathway as a model by which these genes may be regulated in a context-specific manner, and identify clinically tractable therapies directed at the overall BTIC self-renewal signaling machinery. Specifically, in Chapter 2, I describe the presence of a shared signaling program between NSCs and MB BTICs consisting of Bmi1 and FoxG1. In Chapter 3, I provide evidence in support of a context-specific tumor suppressive function for activated Wnt/β-catenin signaling in MB. Lastly, in Chapter 4, I demonstrate a CD133-AKT-Wnt signaling axis in which CD133 functions as a putative cell surface receptor for AKT-dependent Wnt activation in GBM. Overall, the body of this thesis offers a mechanistic model by which BTICs may be regulated and targeted to impair tumor growth and improve overall survivorship in childhood MB and adult GBM. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Des études présentées dans cette thèse ont permis de démontrer que le gène du groupe Polycomb (PcG) Bmi1 est essentiel à l’auto-renouvellement des progéniteurs rétiniens immatures et pour le développement rétinien après la naissance. Ce travail illustre chez l’embryon que Bmi1 est hautement enrichie dans une sous-population de progéniteurs rétiniens exprimant le marqueur de surface SSEA-1 et différents marqueurs de cellules souches. À tous les stades de développement analysés, l’absence de Bmi1 résulte en une diminution de la prolifération et de l’auto-renouvellement des progéniteurs immatures. Pour mieux comprendre la cascade moléculaire en absence de Bmi1, nous avons inactivé p53 dans les colonies Bmi1-/-. Cette inactivation a permis une restauration partielle du potentiel d’auto-renouvellement. De plus, en absence de Bmi1, la prolifération et la maintenance de la population de progéniteurs rétiniens immatures localisés dans le corps ciliaire sont aussi affectées après la naissance. Bmi1 permet donc de distinguer les progéniteurs immatures de la population principale de progéniteurs, et est requis pour le développement normal de la rétine. Nous avons également démontré que l’oncogène Bmi1 est requis dans les neurones pour empêcher l’apoptose et l’induction d’un programme de vieillissement prématuré, causé par une baisse des défenses anti-oxydantes. Nous avons observé dans les neurones Bmi1-/- une augmentation des niveaux de p53, de la concentration des ROS et de la sensibilité aux agents neurotoxiques. Nous avons démontré ainsi que Bmi1 contrôle les défenses anti-oxydantes dans les neurones en réprimant l’activité pro-oxydante de p53. Dans les neurones Bmi1-/-, p53 provoque la répression des gènes anti-oxydants, induisant une augmentation des niveaux de ROS. Ces résultats démontrent pour la première fois que Bmi1 joue un rôle critique dans la survie et le processus de vieillissement neuronal. / The studies presented in this thesis establish that the Polycomb Group (PcG) gene Bmi1 is required for the self-renewal of immature retinal progenitor cells (RPCs) and for postnatal retinal development. Work performed in mouse embryos reveals that Bmi1 is highly enriched in a RPC subpopulation expressing the cell surface antigen SSEA-1 and different stem cell markers. Furthermore, at all developmental stages analysed, Bmi1 deficiency resulted in reduced proliferation and self-renewal of immature RPCs. To better understand the molecular cascade leading to this phenotype, we inactivated p53 in Bmi1-deficient colonies. p53 inactivation partially restored RPCs self-renewal potential. Moreover, the proliferation and the postnatal maintenance of an immature RPC population located in the ciliary body was also impaired in absence of Bmi1. Thus, Bmi1 distinguishes immature RPCs from the main RPC population and is required for normal retinal development. We have also shown that the oncogene Bmi1 is required in neurons to prevent apoptosis and the induction of a premature aging-like program characterized by reduced antioxidant defenses. We observed in Bmi1-deficient neurons an increased p53 and ROS levels, and a hypersensitivity to neurotoxic agents. We demonstrated that Bmi1 regulate antioxidant defenses in neurons by suppressing p53 pro-oxidant activity. In Bmi1-/- neurons, p53 induces antioxidant genes repression, resulting in increased ROS levels. These findings reveal for the first time the major role of Bmi1 on neuronal survival and aging.

Des études présentées dans cette thèse ont permis de démontrer que le gène du groupe Polycomb (PcG) Bmi1 est essentiel à l’auto-renouvellement des progéniteurs rétiniens immatures et pour le développement rétinien après la naissance. Ce travail illustre chez l’embryon que Bmi1 est hautement enrichie dans une sous-population de progéniteurs rétiniens exprimant le marqueur de surface SSEA-1 et différents marqueurs de cellules souches. À tous les stades de développement analysés, l’absence de Bmi1 résulte en une diminution de la prolifération et de l’auto-renouvellement des progéniteurs immatures. Pour mieux comprendre la cascade moléculaire en absence de Bmi1, nous avons inactivé p53 dans les colonies Bmi1-/-. Cette inactivation a permis une restauration partielle du potentiel d’auto-renouvellement. De plus, en absence de Bmi1, la prolifération et la maintenance de la population de progéniteurs rétiniens immatures localisés dans le corps ciliaire sont aussi affectées après la naissance. Bmi1 permet donc de distinguer les progéniteurs immatures de la population principale de progéniteurs, et est requis pour le développement normal de la rétine. Nous avons également démontré que l’oncogène Bmi1 est requis dans les neurones pour empêcher l’apoptose et l’induction d’un programme de vieillissement prématuré, causé par une baisse des défenses anti-oxydantes. Nous avons observé dans les neurones Bmi1-/- une augmentation des niveaux de p53, de la concentration des ROS et de la sensibilité aux agents neurotoxiques. Nous avons démontré ainsi que Bmi1 contrôle les défenses anti-oxydantes dans les neurones en réprimant l’activité pro-oxydante de p53. Dans les neurones Bmi1-/-, p53 provoque la répression des gènes anti-oxydants, induisant une augmentation des niveaux de ROS. Ces résultats démontrent pour la première fois que Bmi1 joue un rôle critique dans la survie et le processus de vieillissement neuronal. / The studies presented in this thesis establish that the Polycomb Group (PcG) gene Bmi1 is required for the self-renewal of immature retinal progenitor cells (RPCs) and for postnatal retinal development. Work performed in mouse embryos reveals that Bmi1 is highly enriched in a RPC subpopulation expressing the cell surface antigen SSEA-1 and different stem cell markers. Furthermore, at all developmental stages analysed, Bmi1 deficiency resulted in reduced proliferation and self-renewal of immature RPCs. To better understand the molecular cascade leading to this phenotype, we inactivated p53 in Bmi1-deficient colonies. p53 inactivation partially restored RPCs self-renewal potential. Moreover, the proliferation and the postnatal maintenance of an immature RPC population located in the ciliary body was also impaired in absence of Bmi1. Thus, Bmi1 distinguishes immature RPCs from the main RPC population and is required for normal retinal development. We have also shown that the oncogene Bmi1 is required in neurons to prevent apoptosis and the induction of a premature aging-like program characterized by reduced antioxidant defenses. We observed in Bmi1-deficient neurons an increased p53 and ROS levels, and a hypersensitivity to neurotoxic agents. We demonstrated that Bmi1 regulate antioxidant defenses in neurons by suppressing p53 pro-oxidant activity. In Bmi1-/- neurons, p53 induces antioxidant genes repression, resulting in increased ROS levels. These findings reveal for the first time the major role of Bmi1 on neuronal survival and aging.

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Muscle aging, in particular, is characterized by the reduction of tissue mass and function, which are particularly prominent in geriatric individuals undergoing sarcopenia. The age-associated muscle wasting is also associated with a decline in regenerative ability and a reduction in resident muscle stem cell (satellite cell) number and function. Although sarcopenia is one of the major contributors to the general loss of physiological function, the mechanisms involved in age-related loss of muscle homeostasis and satellite cell activity are yet poorly understood. Using a microarray-based transcriptome analysis of muscle stem cells isolated from young and physiologically aged/geriatric mice, we uncovered specific changes in the gene expression profile that highlighted key biological processes and potential molecular markers associated with satellite cell aging, which included p16INK4a. We used Bmi1-deficient mice to further explore the implications of p16INK4a up-regulation in satellite cell function. We found premature p16INK4a up-regulation in young/adult Bmi1-deficient satellite cells correlating with defects in satellite cell number, proliferation and self-renewal capacity. In addition we have identified a number of overlapping biological processes dysregulated in physiologically aged and Bmi1-deficient satellite cells, suggesting that Bmi1-dependent epigenetic regulation may underlie many of the intrinsic changes taking place in chronologically aged satellite cells. In addition, we show that Bmi1 loss causes defects of late postnatal/adult muscle growth characterized by reduced muscle mass with smaller muscle fibers, typical of atrophying senescent/sarcopenic muscle. Since p16INK4a expression is specifically up-regulated in muscle satellite cells of geriatric, sarcopenic mice and in a mouse model of accelerated senescence/sarcopenia (SAMP8), we propose that the Bmi1/p16INK4a axis might be particularly operative in muscle stem cells from the elderly. Muscle wasting is one of the physiological consequences of sarcopenia and the identification of novel factors regulating muscle growth and atrophy is of potential relevance for therapeutical applications. We have uncovered a new role for Sestrins as skeletal muscle growth promoting factors in the adult. We found Sestrins expression regulated in mouse models of skeletal muscle atrophy and hypertrophy and in human myopathies. Through a gain of function approach we show that Sestrins induce skeletal muscle growth, by activating the IGF1/PI3K/AKT pathway. / El envejecimiento del tejido muscular está caracterizado concretamente por una reducción global de la masa muscular y un empeoramiento de la función de tejido, particularmente prominentes en individuos muy viejos (geriátricos) que padecen sarcopenia. La pérdida muscular asociado a la edad, se acompaña de una reducción en la capacidad de regeneración del músculo y en una reducción del número y la función de las células madre residentes en el músculo (células satélite). Aunque la sarcopenia sea una de las causas principales de la pérdida general de función fisiológica del músculo, los mecanismos implicados en la reducción de la homeostasis muscular y de actividad de las células satélite no han sido completamente caracterizados. Mediante el análisis comparativo del transcriptoma de células madre musculares aisladas de ratones jóvenes y de ratones viejos (geriátricos), hemos encontrado cambios específicos en su perfil de expresión génica que apuntan a los procesos biológicos dominantes y a los marcadores moleculares potencialmente asociados con el envejecimiento de las células satélite, entre los que destaca p16INK4a. Por ello, hemos utilizado ratones deficientes en Bmi1 para explorar más profundamente las implicaciones de la sobreexpresión de p16INK4a en la función de las células satélite. Hemos encontrado que células satélite jóvenes del ratón Bmi1-/- presentan sobrexpresión de p16INK4a, que correlacionan con una reducción en el número de la células, y en su capacidad de proliferación y autorenovación. Además hemos identificado un grupo de procesos biológicos comunes entre las células satélite viejas y las deficientes en Bmi1, sugiriendo que la regulación epigenética mediada por Bmi1 puede ser la base de muchos de los cambios intrínsecos que ocurren en células envejecidas fisiológicamente. Además, demostramos que la pérdida Bmi1 causa defectos en el crecimiento postnatal/adulto del músculo, caracterizado por pérdida de masa muscular con fibras más pequeñas, típico del músculo atrofiado senescente o sarcopénico. Puesto que la expresión de p16 está aumentada específicamente en el músculo de ratones viejos, sarcopénicos y en un modelo del ratón con envejecimiento (senescencia) acelerado (SAMP8), proponemos que el eje Bmi1/p16 puede actuar particularmente en las células madre musculares de los ancianos. La pérdida de masa muscular es una de las consecuencias fisiológicas de la sarcopenia y la identificación de nuevos factores que regulen el crecimiento y atrofia del músculo es de gran importancia para aplicaciones terapéuticas. Hemos descubierto un nuevo papel de las Sestrinas como factores promotores del crecimiento del músculo esquelético en el adulto. Hemos encontrado que la expresión de las Sestrinas se regula en modelos del ratón de atrofia y de hipertrofia muscular y en miopatías humanas. Mediante experimentos de ganacia de función hemos demostrado que las Sestrinas inducen el crecimiento del músculo esquelético, activando el ruta de señalización de IGF1/PI3K/AKT

La maladie d'Alzheimer (MA) est la démence la plus importante dans le monde développé. Cette maladie neurodégénérative rend de plus en plus difficile la capacité d'accomplir les tâches quotidiennes de routine, elle peut également faire oublier les mots aux patients, les désorienter dans le temps et l'espace, et à des stades avancés entraîne une perte de mémoire. Malheureusement, la MA est considérée comme le prochain grand défi pour la santé publique de la plupart des pays, le nombre de cas devant doubler au cours des 20 prochaines années en raison du vieillissement de la population. Cette augmentation du nombre de patients s'accompagne d'une augmentation des besoins de financement et de personnel de santé afin de répondre aux demandes et aux besoins de ces patients. La MA peut être divisée en deux entités distinctes: une maladie héréditaire bien définie et bien comprise qui représente jusqu'à 5% de tous les cas de MA appelés maladie d'Alzheimer familiale, et une maladie moins définie appelée maladie d'Alzheimer sporadique. Le facteur de risque le plus défini pour la MA est l'âge, mais récemment, il a été démontré que le cerveau des patients atteints de MA avait un niveau réduit de BMI1 et que la suppression de BMI1 dans les neurones humains ou chez la souris déclenche les caractéristiques de cette maladie. Alors que BMI1 était connu pour être important dans les stades de développement, nous rapportons ici qu'il est crucial dans les cellules adultes pour maintenir la compaction de la chromatine et l’inhibition de la transcription des séquences répétitives. De plus, ces deux fonctions de BMI1 empêchent l'ADN d'acquérir une conformation G4. Cette conformation peut entraîner une instabilité du génome, une augmentation des dommages à l'ADN et une altération de l'expression des gènes, mais surtout, nous avons montré que dans les neurones corticaux, les structures G4 peuvent influencer l'épissage alternatif de divers gènes, notamment APP. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur l'origine de la maladie et l'importance de BMI1 et de la structure secondaire de l'ADN dans le cadre de la MA. / Alzheimer's disease is the most prominent dementia in the developed world. This neurodegenerative disease renders the ability to do the routine daily tasks more and more difficult; it can also cause patients to forget words, be disoriented in time and space, leading to a memory loss. Unfortunately, AD is considered the next big challenge for most country’s public health, with the number of cases thought to be doubling within the next 20 years due to the aging of the population. This increase in the number of patients comes with an increase in the need for funding and for healthcare personnel to meet the demands and the requirements of these patients. AD is divided into two separate entities: a well-defined and understood hereditary disease that makes up to 5% of all AD cases called familial Alzheimer disease, and a less defined one called sporadic Alzheimer disease. sAD most defined risk factor is age, but recently it was shown that brains of sAD patients had a reduced level of BMI1 and that the knockdown of BMI1 in human neurons or mice triggers the hallmarks of this disease. While BMI1 was known to be important in the developmental stages, we report here that it is crucial in adult cells to maintain the compaction of the chromatin and the silencing of the repetitive sequences. Furthermore, these two functions of BMI1 prevent the DNA from acquiring a G4 conformation. This conformation can lead to genome instability, increased DNA damage, and altered gene expression. However, most importantly, we showed that in cortical neurons, G4 structures could influence the alternative splicing of various genes, notably APP. These results shed new light on the origin of AD, and the importance of BMI1 and the secondary structure of the DNA in its context.

La vision est considérée comme un des sens les plus importants, prenant en charge environ 80% des perceptions que nous recevons dans notre vie quotidienne. Les photorécepteurs de type cônes sont responsables de la vision centrale de haute résolution et en couleurs, et leur dégénérescence est souvent la cause de la perte de vision dans les maladies dégénératives rétiniennes (RDs). Les RDs sont un groupe hétérogène de maladies affectant des millions de personnes dans le monde, qui pour le moment sont pour la plupart sans aucune option thérapeutique. Les modèles animaux sont extrêmement utiles pour étudier le développement ou la dégénérescence de la rétine, ainsi que pour comprendre les mécanismes moléculaires des maladies génétiques héréditaires affectant les photorécepteurs. La modélisation des maladies dégénératives et du développement peut être particulièrement difficile, spécialement dans le cas de maladies humaines rares et complexes pour lesquelles aucun modèle animal exhaustif n'est disponible. De nos jours, la génération et le maintien de modèles de maladies humaines permettant une analyse approfondie du mécanisme moléculaire représente un grand défis . La technologie des cellules souches possède un grand potentiel dans la modélisation des maladies et représente un outil puissant pour générer des modèles évolutifs, sans l’utilisation d’animaux qui peuvent illustrer plus précisément les phénotypes cliniques de maladies humaines complexes. Nous avons développé un protocole pour différencier les cellules souches pluripotentes (PSCs) en feuillets rétiniens (RSs), qui sont des tissus polarisés et multicouches contenant des photorécepteurs cône et exprimant les marqueurs spécifiques du segment externe (OS), du cilium connecteur (CC) et du noyau. En utilisant à la fois des modèles de souris et des modèles humanisés à base de cellules souches, nous avons étudié le rôle de BMI1 dans les photorécepteurs matures. La protéine du groupe Polycomb Bmi1 est connue pour ses fonctions neuroprotectrices en contrôlant la sénescence et l'apoptose, et est exprimée à la fois dans le progéniteur rétinien et les neurones, mais on en sait peu sur son rôle spécifique dans la rétine adulte. Elle a été récemment associée à des troubles neurodégénératifs d'apparition tardive, et elle pourrait avoir un rôle dans la pathologie des RDs d'apparition tardive, comme la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). Nous avons montré que les photorécepteurs cône et les neurones bipolaires sont générés normalement mais subissent ensuite une dégénérescence rapide chez les souris Bmi1-/- par nécroptose associée à Rip3. La dégénérescence était associée à des anomalies de compactage de la chromatine, à l'activation des répétitions en tandem et au stress oxydatif. De plus, nous montrons que BMI1 est préférentiellement exprimé dans les cônes au niveau des foyers hétérochromatiques dans la rétine humaine. Son inactivation dans les cellules souches embryonnaires humaines (hESCs) a altéré la différenciation terminale du cône et a entraîné des anomalies de compactage de la chromatine, l'activation des répétitions en tandem et l'induction de P53. Ces résultats fournissent un mécanisme expliquant comment une carence en Bmi1 conduit à la dégénérescence des cônes et révèlent des fonctions biologiques conservées et des différences pour Bmi1 dans la biologie des photorécepteurs entre la souris et l'homme. En utilisant un modèle humain basé sur les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), nous avons ensuite étudié le processus dégénératif chez les patients atteints de ciliopathies, un groupe de maladies génétiques hétérogènes affectant les protéines impliquées dans la structure et la fonction du cil primaire, qui sont fréquemment accompagnée d'une dégénérescence rétinienne. Nous générons des feuillets rétiniens dérivés d'iPSCs à partir de patients atteints de deux ciliopathies, les syndromes de Meckel-Gruber (MKS) et de Bardet-Biedl (BBS). Les photorécepteurs ciliopathiques présentaient des altérations communes significatives dans l'expression de centaines de gènes de développement. De plus, ils ont montré plusieurs anomalies dans la formation et le maintien du cilium interne, le positionnement du centriole mère, l'activation d'une réponse au stress aux protéines mal repliées, instabilités génomiques et l'accumulation de dommages à l'ADN. Cette étude révèle comment la combinaison des technologies de reprogrammation cellulaire et d'organogenèse avec le séquençage de nouvelle génération permet d'élucider les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les troubles dégénératifs et développementaux de la rétine humaine. La même approche, combinant la différenciation en RSs avec des techniques de séquençage du génome à large spectre, pourrait être appliquée pour modéliser de nombreuses maladies génétiques, développementales et dégénératives affectant les photorécepteurs. Il peut également aider à élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents à ces maladies, au criblage de médicaments de composés ayant des effets thérapeutiques potentiels et à prédire les effets secondaires des médicaments. / Vision is considered the most important sense, taking on about 80% of the perceptions we receive in our everyday life. Cone-photoreceptors are responsible for high-resolution central vision and color discrimination, and their degeneration is frequently the cause of vision loss in retinal degenerative diseases (RDs). RDs are a heterogeneous group of diseases affecting millions of people worldwide, which at the moment are mostly without any therapeutic option. Animal models are extremely useful in studying the retina's development or degeneration and understanding the molecular mechanisms in inherited genetic disease affecting photoreceptors. Modeling human developmental and degenerative diseases can be particularly challenging, especially in the case of rare and complex diseases where no exhaustive animal models are available. Generation of sustainable human disease models that allow in-depth analysis of the molecular mechanism is one of the big challenges nowadays. Stem cell technology holds great potential in disease modeling and represents a new powerful tool for generating scalable and animal-free models that can more accurately illustrate clinical phenotypes of complex human diseases. We developed a protocol to differentiate pluripotent stem cells (PSCs) into retinal sheets (RSs), which are polarized, multi-layered tissues containing cone photoreceptors and expressing outer segment (OS), connecting cilium (CC), and nuclear specific markers. Using both mouse and stem cells-based humanized models, we first investigate the role of BMI1 in mature photoreceptors. The Polycomb group protein Bmi1 is known for its neuroprotective functions by controlling senescence and apoptosis and is expressed in both retinal progenitor and neurons, but little is known about its specific role in the adult retina. It has been recently linked to late-onset neurodegenerative disorders, and it could have a role in the pathology of late-onset RDs, such as Age-related Macular Degeneration (AMD). We showed that cone photoreceptors and bipolar neurons are generated normally but then undergo rapid degeneration in Bmi1-/- mice through Rip3-associated necroptosis. Degeneration was associated with chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and oxidative stress. Furthermore, we show that BMI1 is preferentially expressed in cones at heterochromatic foci in the human retina. Its inactivation in human embryonic stem cells (hESCs) impaired cone terminal differentiation and resulted in chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and P53 induction. These findings provide a mechanism explaining how Bmi1 deficiency leads to cone degeneration and reveal conserved biological functions and differences for Bmi1 in photoreceptor biology between mouse and man. Using an induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) based human model, we then investigate the degenerative process in patients with ciliopathies, a group of heterogeneous genetic diseases affecting proteins involved in primary cilium structure and function frequently accompanied by retinal degeneration. We generate iPSC-derived retinal sheets from patients affected by two ciliopathies, Meckel-Gruber (MKS) and Bardet-Biedl syndromes (BBS). Ciliopathic photoreceptors displayed significant common alterations in the expression of hundreds of developmental genes. Moreover, they showed several anomalies in the formation and maintenance of cilia, the mother centriole's positioning, the activation of a stress response to misfolded proteins, genomic instabilities, and DNA damage accumulation. This study reveals how combining cell reprogramming and organogenesis technologies with next-generation sequencing enables the elucidation of molecular and cellular mechanisms involved in human retinal degenerative and developmental disorders. The same approach, combining photoreceptor sheet differentiation and wide-genome expression profile, could be applied to model many genetic, developmental, and degenerative diseases affecting photoreceptors. It may help elucidate the molecular mechanisms underlining these diseases, drug screening of compounds with potential therapeutic effects, and predict drug side effects.

Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale la plus commune et létale chez l’adulte. Malgré les avancés fulgurantes dans la dernière décennie au niveau des thérapies contre le cancer, le pronostique reste inchangé. Le manque de spécificité des traitements est la cause première de la récurrence de cette tumeur. Une meilleure compréhension au niveau des mécanismes moléculaires et biologiques de cette tumeur est impérative. La découverte des cellules souches cancéreuses (CD133+) au niveau du GBM offre une nouvelle opportunité thérapeutique contre cette tumeur. Effectivement, les cellules CD133+ seraient responsables de l’établissement, le maintien et la progression du GBM. De plus, elles sont également la cause de la résistance du GBM faces aux traitements de radiothérapies. Ces cellules représentent une cible de choix dans le but d’éradiquer le GBM. L’oncogène BMI1 a été associé à plusieurs types de tumeurs et est également essentielle au maintien de différentes populations de cellules souches normales et cancéreuses. Une forte expression de BMI1 est observée au niveau du GBM et plus précisément, un enrichissement préférentiel de cette protéine est noté au niveau des cellules CD133+. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le rôle potentiel de BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses (CSC), CD133+ du GBM. La fonction principale de BMI1 est la régulation négative du locus INK4A/ARF. Ce locus est impliqué dans l’activation de deux voies majeurs anti-tumorales : P53 et RB. Or, la perte de BMI1 induit in vitro une diminution des capacités prolifératives, une augmentation de la différentiation et de l’apoptose, ainsi qu’une augmentation de la radiosensibilité des CSC du GBM indépendamment de la présence du locus INK4A/ARF. Effectivement, deux tumeurs sur trois possèdent une délétion de ce locus, ce qui suggère que BMI1 possède d’autre(s) cible(s) transcriptionnelle(s). Parmi ces nouvelles cibles ont retrouve la protéine P21, un régulateur négatif du cycle cellulaire. De plus, la perte de BMI1 inhibe l’établissement d’une tumeur cérébrale lors d’études de xénogreffe chez la souris NOD/SCID. Également, une nouvelle fonction de BMI1 indépendante de son activité transcriptionnel a été démontrée. Effectivement, suite à l’induction d’un bris double brin (BDB) de l’ADN, BMI1 est rapidement recruté au niveau de la lésion et influence le recrutement des protéines de reconnaissance du dommage à l’ADN. La perte de BMI1 mène à un défaut au niveau de la reconnaissance et la réparation de l’ADN, alors que sa surexpression induit plutôt une augmentation de ces mécanismes et procure une radiorésistance. Ces résultats décrivent pour la première fois l’importance de BMI1 au niveau du maintien, de l’auto-renouvellement et la radiorésistance des CSC du GBM. Ainsi, ces travaux démontrent que la protéine BMI1 représente une cible thérapeutique de choix dans le but d’éradiquer le GBM, une tumeur cérébrale létale. / Glioblastoma multiform (GBM) is the most common and lethal primary brain tumor found in adults. Despite the advances made in the field of cancer therapy in the last decade, the median survival rate remains less than a year. Therefore, a better understanding of the molecular biology of GBM will reveal the mechanisms responsible for the initiation and progression of the tumor, and allow the development of new therapeutic strategies. GBM contains a minority cell population, characterized by tumor initiating cells expressing the stem cell marker, CD133. The CD133+ GBM cells are responsible for tumor initiation, maintenance, progression and resistance to chemo/radiotherapy. The CD133+ cells represent a valuable and specific therapeutic target against GBM. The Polycomb (PcG) group family of transcriptional repressors have been involved in a vast range of cancers. The PcG protein and oncogene BMI1 is the best-characterized PcG protein. The implication of BMI1 in normal and cancer stem cell survival, self-renewal and maintenance has been thoroughly investigated. BMI1 is highly expressed in GBM and more precisely; it is enriched specifically in CD133+ cell populations. The main goal of this thesis was to elucidate the potential role of BMI1 in GBM CD133 + cancer stem cell (CSC) maintenance and radioresistance. The main function of BMI1 is to repress the expression of the genes encoded by the INK4A/ARF locus, which is implicated in the activation of two major tumor suppressor pathways, P53 and RB. However, BMI1 depletion in vitro induces a reduction in proliferation potential, as well as an increase in differentiation, apoptosis, and radiosensitivity regardless of INK4A/ARF status. Indeed, two-thirds of all tumors posses a deletion of this locus, suggesting that BMI1 regulates other targets. P21, a cell cycle regulator, was identified as a new BMI1 target. Moreover, we have observed that the loss of BMI1 inhibits the establishment of a cerebral tumor in a xenograft mouse model. In addition to transcription related activity, we identified a new transcription independent function of BMI1. After the induction of a DNA double-strand-break, BMI1 is rapidly recruited to the damage site and influences the recruitment of DNA damage response proteins. Furthermore, defects in DNA damage recognition and repair are observed after BMI1 knockdown. Consistent with these results, BMI1 overexpression induces DNA damage response and increases radioresistance potential. These results emphasize for the first time the requirement of BMI1 for the maintenance, self-renewal, and radioresistance in GBM CSC, thus providing a potential target for future therapeutic strategies against GBM.