Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La voie de signalisation calcineurine/NFAT (Nuclear Factor of Activated T-cells) est très largement impliquée dans plusieurs aspects du développement et des pathologies du muscle squelettique. De nombreuses études ont souligné son implication dans la spécification des fibres musculaires adultes. Cependant, son rôle dans l’établissement du phénotype musculaire au cours de l’embryogenèse reste peu connu. Il faut noter que certains travaux suggèrent une implication de NFATc3 dans le nombre de fibres musculaires alors que l’isoforme NFATc2 pourrait être impliquée dans la taille des fibres musculaires. Les facteurs myogéniques (MRF) de la famille MyoD (incluant MyoD, Myf5, MRF4 et la myogénine) sont des facteurs de transcription à domaine bHLH (basic-Helix-Loop-Helix) clés pour la myogenèse squelettique. L’étude de leurs partenaires protéiques est essentielle pour bien comprendre la régulation de l’expression des gènes musculaires. Un nouveau paradigme de la transcription a été démontré (Armand et al. 2008), où une protéine NFAT pourrait coopérer spécifiquement avec un MRF : en effet, l’isoforme, NFATc3, coopère avec MyoD pour activer l’expression de la myogénine au cours de la somitogenèse. Ce rôle est spécifique du complexe NFATc3/MyoD puisque les souris mutantes myod (-/-) ; nfatc2 (-/-) ne présentent aucune modification de l’expression de la myogénine au cours de la somitogenèse. L’objectif de ce travail est d’étudier l’implication du complexe NFATc2/MyoD dans la myogenèse chez la souris. Nous montrons que l’isoforme NFATc2 coopère avec MyoD pour induire spécifiquement l’expression de la chaine lourde néonatale la myosine (MHCneo), in vitro aussi bien qu’in vivo. Cette coopération est spécifique et cruciale puisque les souris double mutantes myod (-/-) ; nfatc2 (-/-) meurent à la naissance avec une réduction spectaculaire de l’expression de la MHCneo, principale isoforme de la myosine exprimée à la naissance, alors que l’expression de cette chaine lourde de la myosine n’est pas affectée chez les simples mutants. Par des analyses d’immunoprécipitation de la chromatine et de retard sur gels, nous avons montré que les isoformes NFATc1 et NFATc3 se lient de manière préférentielle au gène codant la chaine lourde embryonnaire de la myosine (MHC emb). Ce travail, qui met en évidence pour la première fois le rôle de la voie de signalisation calcineurine/NFAT dans la construction précoce de la fibre musculaire au cours de l’embryogenèse, montre aussi l’implication spécifique du complexe NFATc2/MyoD dans le contrôle du nombre de fibres musculaires au cours de l’embryogenèse. / Cell biology

L’hypertrophie cardiaque est un mécanisme adaptatif qui se développe en réponse à une surcharge de travail hémodynamique. Lors d’un stress chronique, elle peut mener à l’insuffisance cardiaque (IC), l’une des principales causes de mortalité dans les pays industrialisés. Les voies de signalisation hypertrophiques induites par les récepteurs α et β-adrénergiques font intervenir la petite protéine G Ras et des protéines calcium-dépendantes telles que la calcineurine (CaN) et la Ca2+/calmoduline-dépendante kinase de type II (CaMKII), ainsi que leurs facteurs de transcription respectifs NFAT et MEF2. Dans les cellules immunitaires, la protéine Carabine a été mise en évidence comme inhibant la CaN et de Ras. L’objectif de cette thèse et de caractériser son rôle dans le cardiomyocyte.In vitro, nous montrons que Carabine est exprimée dans le cardiomyocyte de rat nouveau-né et adulte et inhibe par l’intermédiaire de ses domaines fonctionnels les voies de signalisation de Ras/ERK, CaN/NFAT et CaMKII/MEF2. Sous stimulation chronique adrénergique, la surexpression de Carabine prévient le remodelage cardiaque en bloquant le développement des marqueurs de l’hypertrophie : la croissance cellulaire, la réexpression des gènes foetaux etla réorganisation des protéines contractiles. Enfin, dans un modèle d’hypertrophie cardiaque induite par surcharge de pression chez le rat, l’injection intramyocardiaque d’un adénovirus codant pour Carabine inhibe l’hypertrophie des cardiomyocytes. Ce travail ouvre ainsi de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le traitement de l’IC. / Cardiac hypertrophy is an adaptative mechanism developed in response to hemodynamic overload. During chronic stress, it can lead to heart failure (HF), one of the most important causes of mortality in industrialized countries. Hypertrophic signaling pathway induced under α and β-adrenergic receptor involve small G protein Ras and calcium dependent proteins suchas the calcineurine (CaN) and the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinases II (CaMKII), as well as their respective transcription factors NFAT and MEF2. In immune cells Carabin protein has been shown to inhibit CaN and Ras. The purpose of my thesis was to determine the role of Carabin in the cardiomyocyte.In vitro, we showed that Carabin is expressed in neonatal and adult rat cardiomyocyte and inhibits via its functional domains the Ras/ERK, CaN/NFAT and CaMKII/MEF2 signaling pathways. Under adrenergic chronic stimulation, Carabin overexpression blocks the development of hypertrophic markers (cell size increase, re-expression of embryonic genesand contractile protein reorganisation) preventing thus cardiac remodeling. Finally, in a rat model pressure overload cardiac hypertrophy, intra-cardiac injection of Carabin adenovirus inhibits cardiomyocyte growth. This study opens new insights into the treatment of HF.

Lors d'un exercice physique prolongé, les muscles produisent et libèrent de l'interleukine-6 (IL-6). Cette production est corrélée à l'intensité de l'exercice et à la baisse des réserves musculaires en glycogène. L'IL-6 agirait par voie endocrine en favorisant la production endogène de glucose par le foie.<br />Notre premier objectif était d'étudier le contrôle de l'expression du gène IL-6 dans le muscle squelettique à l'exercice chez le rat et plus particulièrement l'importance de la voie de signalisation de la calcineurine, activée par la contraction musculaire. Nous avons d'abord montré que la transcription du gène IL-6 avait lieu dans les fibres musculaires oxydatives (I et IIa) et était associée à une activité importante de la voie de la calcineurine. Nous avons ensuite montré que l'administration d'inhibiteurs pharmacologiques de la calcineurine (ciclosporine A ou FK506) diminuait significativement la transcription du gène IL-6 dans les muscles lents/oxydatifs, prévenant ainsi l'apparition de la protéine dans le plasma. Nous avons ainsi démontré l'implication de la voie de la calcineurine dans le contrôle du gène codant IL-6 dans le muscle en réponse à un exercice unique. <br />Notre deuxième objectif était d'étudier l'action d'IL-6 sur le foie à l'exercice, plus particulièrement sur le contrôle du gène codant une enzyme clé de la néoglucogenèse, la phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK). Nous apportons des arguments expérimentaux en faveur d'un effet direct d'IL-6 sur le tissu hépatique et d'un contrôle possible de la transcription du gène codant PEPCK par l'IL-6 circulante. D'autre part nous suggérons l'implication d'acteurs moléculaires nouveaux, Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator alpha (PGC-1α) et Farnesoid X receptor (FXR), dans le contrôle de la néoglucogenèse à l'exercice.

Ce travail de thèse reposait sur l’hypothèse que la variabilité génétique des protéines « cibles » des médicaments immunosuppresseurs de la famille des inhibiteurs de la calcineurine (ICN ; ciclosporine et tacrolimus) pourrait expliquer une partie de la variabilité observée dans leur efficacité et toxicité. Une revue de la littérature nous a permis de lister un panel de variants génétiques au sein de la voie de la calcineurine, considérés comme étant de bons candidats pour des études en transplantation. Ces variants n’ont pas été associés au risque de rejet aigu ou d’infection grave dans une étude incluant 381 patients transplantés rénaux suivis durant un an après la transplantation. La variabilité pharmacodynamique des ICN a ensuite été explorée au travers des régulations épigénétiques. Une analyse de la méthylation de l’ADN après exposition médicamenteuse a été menée sur deux modèles. Premièrement, la lignée cellulaire JURKAT a été utilisée pour développer la méthode d’immunoprécipitation de l’ADN méthylé (MeDIP). Chez des souris traitées par ciclosporine et tacrolimus durant 3 mois, nous avons ensuite isolé les cellules cibles des médicaments, les lymphocytes T CD4 puis, après immunoprécipitation de l’ADN méthylé et analyse par séquençage pangénomique haut débit (MeDIP-seq, séquençeur Ion Proton), nous avons recherché les régions du génome présentant des différences de méthylation induites par le traitement. L’analyse différentielle bio-informatique a été menée à l’aide des outils SAMtools (Li et col., 2009), BEDtools (Quinlan and Hall, 2010), MACS2 (Zhang et col., 2008) et Diffbind (Stark and Brown, 2011 - Bioconductor). Sur l’ensemble du génome, nous n’avons identifié que 24 régions présentant un niveau de méthylation modifié par l’exposition au tacrolimus. Le promoteur du gène Calm2, codant pour l’isoforme 2 de la calmoduline, semble être davantage méthylé chez les souris traitées. Ces résultats préliminaires semblent prometteurs pour la découverte de biomarqueurs épigénétiques de la réponse thérapeutique aux immunosuppresseurs. / Inter-individual genetic variation might account for diverse efficacy and toxicity of calcineurin inhibitors (cyclosporin and tacrolimus). In particular, some variants located within genes coding for proteins of the calcineurin pathway can explain part of this variability. In this manuscript, a panel of candidate genes was selected based on bibliographic review and tested in a pharmacogenetics study encompassing 381 renal transplants followed for one year after surgery. None of these candidates was associated with the acute rejection or serious infection risks. Furthermore, the pharmacodynamic variability of these drugs was also investigated, exploring the use of epigenomics profiling as proximal readout of the calcineurin inhibition treatment. In particular, we investigated the impact of drug exposure on DNA methylation in two experimental models. Methylated DNA immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (MeDIP-seq, Ion Proton technology) was deployed in JURKAT cell line, used as in vitro model, and in CD4 T lymphocytes isolated from mice treated with either cyclosporin or tacrolimus for three months. After sequencing, the differentiated methylated regions caused by drug exposure were analyzed. Bioinformatics analyses were performed using SAMtools (Li et al., 2009), BEDtools (Quinlan and Hall, 2010), MACS2 (Zhang et al., 2008) and Diffbind (Stark and Brown, 2011 - Bioconductor). Overall, the genome-wide analysis revealed only 24 regions with a differentiated enrichment in DNA methylation after three month-tacrolimus treatment, indicating a targeted effect of these treatments on a subset of key genes. Of note, CALM2 promoter, coding for the calmodulin isoform 2 protein, showed significant hypermethylation in tacrolimus-treated mice. These preliminary results corroborate the interest in using DNA methylation as promising approach to identify candidate biomarkers for therapeutic drug monitoring in calcineurin inhibitor treatments.

Des approches thérapeutiques visant à la stimulation de la régénération et/ou à l’inhibition des processus de dégénérescence neuromusculaire pourraient constituer des stratégies efficaces pour préserver le tonus musculaire des patients et augmenter ainsi leur espérance de vie. L’activation de la Calcineurine A (CnA), une phosphatase des sérines et thréonines, contrôle une large gamme de réseaux régulateurs dans le muscle squelettique, notamment en stimulant l’expression de gènes spécifiques des fibres musculaires lentes (de type I). La CnA est considérée comme un acteur clé de la réponse hypertrophique et du processus de régénération dans le muscle squelettique. L’activation de la CnA est ainsi considérée comme une stratégie potentielle pour stimuler la régénération musculaire dans les cas de myopathie. Nous avons identifié un aptamère peptidique qui active la CNA in vitro et in vivo. Dans un modèle murin d’atrophie musculaire induite par dénervation, l’aptamère a montré de significatives capacités thérapeutiques. L’effet curatif de l’aptamère a notamment été observable par une augmentation générale de la surface des muscles traités, mais aussi par un accroissement de la surface individuelle des fibres musculaires.Une augmentation du niveau de NFAT nucléaire dans ces fibres a été observée, en cohérence avec les capacités d’activation de la CnA par notre aptamère. Par ailleurs, une autre observation faite dans les muscles traités avec l’aptamère a été l’augmentation de noyaux centraux, caractéristiques de la présence de nouvelles fibres. Finalement, l’identification du site d’interaction entre la CnA et notre aptamère, permise par l’utilisation de plusieurs formes tronquées de la phosphatase, a offert un aperçu du mécanisme d’action de l’aptamère à l’échelle moléculaire. Dans l’ensemble, les études présentées ici ont offert la première démonstration qu’une activation directe de la CnA endogène a un impact significatif sur les processus cellulaires, résultant en la stimulation de la régénération musculaire et l’amélioration de l’état physiopathologique chez les modèles animaux utilisés. / Therapeutic approaches leading to the stimulation of regeneration, and/or inhibition of degeneration processes in neuromuscular disorders are believed to offer valid therapeutic strategies that would preserve muscle tone and contribute to the quality of life while lengthening patient life span. Activation of CalcineurinA (CnA), a threonine-serine phosphatase, controls gene regulatory programs in skeletal muscle by stimulating slow muscle fiber (type I) gene expression. This phosphatase has been also identified as a key mediator in the hypertrophic response and in skeletal muscle regeneration. Activation of CnA is, therefore, considered as a potentially interesting means of stimulating muscle regeneration in myopathies. We have identified a peptide aptamer that activates CnA in vitro, in cells and in vivo. In a mouse model for denervation-induced muscle atrophy, CnA-activating peptide aptamers show significant positive impact. This is reflected in larger overall muscle cross-sectional surface area due to an increased number of fibers and larger individual fiber surface area. Insight into the biological mechanism is afforded by observation of increased levels of nuclear NFAT transcription factor in these fibers, in agreement with peptide aptamer-mediated activation of CnA. Furthermore, a significant increase in central nuclei, characteristic of the presence of new fibers, is observed in muscles treated with the peptide aptamers specifically activating CnA. Identification of the specific binding site of the peptide aptamer on CnA was achieved using several truncations of the phosphatase, offering insight into the molecular mechanism of action. Together, these studies offer the first proof that direct activation of endogenous CnA has a measureable impact on cellular responses resulting in stimulation of muscle regeneration and enhancement of pathophysiological state in selected animal models. / Specifici approcci terapeutici diretti alla stimolazione della rigenerazione e/o dell’inibizione dei processi degenerativi in patologie neuromuscolari, sono considerati come strategie efficaci per preservare il tono muscolare e aumentare in questo modo la speranza di vita dei pazienti. L’attivazione della Calcineurin A (CnA), una treonina/serina fosfatasi, controlla una vasta gamma di vie di trasduzione nel muscolo scheletrico, stimolando in particolare l’espressione dei geni specifici delle fibre muscolari lente (tipo 1). La Cna rappresenta un elemento chiave nella risposta ipertrofica e nel processo di rigenerazione muscolare. Per questo motivo, l’attivazione della CnA é considerata come un’approccio terapeutico interessante per stimolare la rigenerazione muscolare nelle miopatie. Nel nostro laboratorio, abbiamo identificato un aptamero peptidico che attiva la CnA sia in vitro che in vivo. In un modello murino di atrofia muscolare indotta tramite denervazione, l’aptamero petidico risulta avere delle significative potenzialità terapeutiche. Tale effetto si riflette in un aumento della superficie totale delle sezioni trasversali dei muscoli trattati, dovuto all’aumento sia del numero delle fibre che alla loro superficie individuale. L’effetto dell’aptamero peptidico sull’attivazione della CnA , nelle fibre trattate in vivo é dimostrata dall’osservazione della localizzazione prevalentemente nucleare del fattore di trascrizione NFAT, principale substrato della CnA. Un notevole aumento di nuclei centrali, caratteristica principale del processo di rigenerazione muscolare, é inoltre osservato in queste fibre. L’identificazione del sito d’interazione dell’aptamero peptidico e la proteina tramite l’utilizzo di vari costrutti della CnA ha permesso di avanzare delle ipotesi sul meccanismo d’azione dell’aptamero a livello molecolare. In conclusione, gli studi esposti in questa tesi rappresentano la prima dimostrazione che la diretta attivazione della CnA endogena ha un notevole effetto sulla stimolazione della rigenerazione muscolare e porta al miglioramento dello stato fisio-patologico nei modelli murini utilizzati.

In dieser Dissertation versuche ich, die zentralen Nitrogen-heterocyclischen Kerne, die Seitenketten und deren Position zu variieren. Als synthetische Strategie wurden Palladium-katalysierte Kupplungsreaktionen verwendet, um Seitenketten und Aryl-Substituenten einzuführen. Halogensubstituierte Diarylheterocyclen sind wichtige Intermediate in der Synthese der allgemeine Strukture. Die Einführung der gewünschten Seitenketten durch Carbon-Carbon und Carbon-Nitrogen-Bindungsknüpfung wurde durch Sonogashira-Kupplung, Heck-Kupplung und Buchwald-Hartwig-Aminierung erzielt. Mit der Sonogashira-Reaktion kann eine funktionalisierte Alkynylgruppe in die heterocyclischen Kerne effektiv und bequem eingeführt werden. Eine anschliessende katalytische Hydrierung der Alkynylgruppe führt zu funktionalisierten Alkyl substituierten Diarylheterocyclen. In der vorliegenden Arbeit wurden mehr als 180 Substanzen synthetisiert. Unter ihnen sind ungefähr 130 neue Substanzen. 86 von ihnen passen in die allgemeine Strukture. / In the present thesis, I tried to vary the central nitrogen-heterocyclic cores, the functionalised side chains and its position of attachment. As a synthetic strategy, palladium-catalyzed coupling reactions were used to introduce side chains and aryl substituents into the central heterocycle. In this way the utility of such reactions to heterocyclic systems, which were neglected so far, could be figured out. Halogen substituted diaryl heterocycles are important intermediates in the synthesis of general structures. The introduction of the desired side chains by Carbon-Carbon bond formation reactions was achieved by Sonogashira coupling and Heck coupling. Buchwald-Hartwig amination and nucleophilic substitution were used to establish side chains which are connected to the core heterocycle by heteroatom-Carbon bonds. Sonogashira reaction turned out to be the most effective and convenient method to introduce functionalized alkynyl group into the heterocyclic cores. In the present work, more than 180 compounds were synthesized. Among them, about 130 compounds are new products. 86 of them fit into the general structure.