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

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

Les horloges circadiennes, permettant l´anticipation des changements environnementaux cycliques, sont synchronisés par la lumière du jour via un signal lumineux à la rétine. Outre les cônes et les bâtonnets, la rétine contient des cellules ganglionnaires intrinsèquement photosensibles (ipRGCs), subdivisées en sous-types distincts exprimant le pigment mélanopsine et impliquées dans l´entrainement de l´horloge biologique à la lumière. Le système circadien est très similaire chez les animaux nocturnes et diurnes. L'objectif de cette thèse était d'étudier les propriétés morphologiques, moléculaires etphysiologiques des ipRGCs de rongeurs nocturnes (souris) et diurnes (Arvicanthis ansorgei). Ce travail révèle des morphologies comparables des différents types d´ipRGCs pour les deux espèces, mais la proportion du type M1 était plus élevée chez Arvicanthis. Des immunomarquages spécifiques des cellules ganglionnaires de la rétine ont révélé que les ipRGCs constituent une population hétérogène. Chez les deux espèces, l'expression de neurofilaments et de Brn3 différait selon le type d´ipRGC. Les propriétés physiologiques des ipRGCs étaient principalement similaires pour les deux espèces. Chez Arvicanthis, les ipRGCs de type I étaient plus sensibles à de courts éclairs lumineux. En conclusion , les ipRGCs des rongeurs nocturnes et diurnes partagent des caractéristiques communes. Cette étude est la première à décrire la sensibilité des ipRGCs a des éclairs de courte durée. De plus, ce travail étend les connaissances sur l'hétérogénéité moléculaire des différents types d´ipRGCs. / Circadian clocks permit anticipation of cyclic environmental changes and are synchronized to solar day through photic input from the retina. Besides rods and cones, the retina contains intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs), consisting of distinct sub-types. IpRGCs express the photopigment melanopsin and are implicated in photoentrainment of the biological clock. Light information shapes the animal’s temporal behavior, but the circadian systems of nocturnal and diurnal animals appear to be very similar. The aim of this thesis was to investigate the morphological, molecular and physiologicalproperties of ipRGCs in nocturnal (C57BL/6 mouse) compared to diurnal (Arvicanthis ansorgei) rodents. The morphological analysis revealed comparable characteristics of the different ipRGC types in both species; however the proportion of M1 cells was higher in Arvicanthis than in mouse. Immunostaining patterns using RGC markers revealed that ipRGCs are a heterogeneous population. In both species, Brn3 and neurofilaments expression were partly distinct between the ipRGC types.The physiological properties of ipRGC types were mostly similar between the two species, but type I ipRGCs were more sensitive to short light flashes in Arvicanthis than in mouse. In conclusion, the melanopsin system of nocturnal and diurnal rodents shares many common features. Importantly, this study is the first describing responses of ipRGCs to short light flashes and the observed molecular heterogeneity extends the characterization of individual ipRGC types.

Le glaucome est une neuropathie optique associée à une augmentation de la pression intraoculaire (PIO). L’élévation de la PIO est due à la dégénérescence progressive du trabéculum. Les traitements antiglaucomateux vise à réduire la PIO, cependant il n’existe aucun traitement ciblant la dégénérescence du trabéculum. Les cellules souches mésenchymateuses (CSMs) sont utilisées comme outils thérapeutiques dans différentes pathologies dégénératives. Elles sécrètent un panel de molécules qui sont décrit comme atténuant les processus dégénératifs. L’objectif de ce travail a été d’évaluer l’intérêt des CSMs dans la prise en charge du glaucome. La caractérisation des CSMs ont été mis au point à partir de culture primaire de moelle osseuse de rat. En parallèle, un modèle expérimental de glaucome par cautérisation des veines épisclérales (EVC) a été réalisé. Nous nous sommes intéressés à l’effet de l’injection intracamérulaire des CSMs dans ce modèle. Les CSMs sont retrouvées incorporées aux tissus autour et dans le trabéculum. Les résultats obtenus in vivo montrent une diminution de la PIO par l’injection des CSMs préservant ainsi les cellules ganglionnaires périphériques de la rétine (CGRs). Par une approche in vitro, nous avons également caractérisé les effets du sécrétome des CSMs sur les cellules impliquées dans la pathologie glaucomateuse: les cellules trabéculaires et les cellules ganglionnaires de la rétine. Ces résultats ont permis de montrer que l’injection intracamérulaire de CSMs permettrait de protéger la fonction de régulation de la PIO et de protéger les CGRs dont la mort est responsable de la diminution de l’acuité visuelle chez le patient glaucomateux. / Glaucoma is a sight-threatening retinal neuropathy associated with elevated intraocular pressure (IOP) due to degeneration and fibrosis of the trabecular meshwork (TM). Glaucoma medications aim to reduce IOP without targeting the specific TM pathology, which could explain treatment failure observed in some cases. Bone-marrow mesenchymal stem cells (MSCs) are used today in various clinical studies to treat various degenerative processes. Here, we investigated the potential of MSC therapy in an ocular hypertension model. We demonstrated a rapid and long-lasting in vivo effect of MSC transplantation that significantly reduced IOP in hypertensive eyes induced by episcleral vein cauterization (EVC). MSCs were found located to the ciliary processes and the TM and are able to survive at these places. Enumeration of retinal ganglion cells (RGCs) on whole flat-mounted retina highlighted a protective effect of MSCs on RGC death. In vitro, the effect of MSC-conditioned medium (MSC-CM) on both the primary human trabecular meshwork (hTM) and RGCs showed that MSC-CM promotes: (i) hTM survival by activating the antiapoptotic pathway, Akt, (ii) hTM decontractibility as analyzed by the decrease in myosin phosphorylation and (iii) inhibition of TGF-β2-dependent profibrotic phenotype acquisition in hTM, (iiii) RGC survival and neuritic outgrowth in vitro. Finally, MSCs injection in the ocular anterior chamber in a rat model of ocular hypertension provides a neuroprotective effect in the glaucoma pathophysiology directly on RGC and indirectly via TM protection. These results originally demonstrate that MSCs represent promising tool for treating ocular hypertension and retinal cell degeneration.

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

Titre: La Visualisation in vivo des « espèces oxygénées radiculaires» au niveau des cellules ganglionnaires de la rétine. Le But : Les espèces d'oxygène réactives sont non seulement produites à la suite de la blessure cellulaire, mais servent aussi des molécules faisantes des signes pour une variété de processus critiques, en incluant mitosis et de mort de cellule. Nous avons auparavant dit que la blessure à RGC axons incite un éclatement de superoxyde dans le corps de cellule, probablement de l'origine mitochondrial (Lieven et al, 2006). Nous décrivons maintenant une méthode pour refléter des espèces d'oxygène réactives dans la rétine de l'animal vivant en utilisant un confocal le lisant rapidement du laser ophthalmoscope a appelé la Rétine de Heidelberg Angiograph 2 (HRA2) équipé avec les lasers doubles. La méthodolologie : Après les études préliminaires en utilisant d'autres indicateurs (hydroethidium; HEt) pour les espèces d'oxygène réactives, nous avons essayé de refléter des espèces d'oxygène réactives dans le dans le modèle de vivo l'utilisation 5-(et 6)-chloromethyl-2', 7 '-dichlorodihydrofluorescein diacetate, l'acétyle ester (le CM-H2DCFDA). Un nerf optique de Longs-Evans rats a été écrasé intraorbitalement, en épargnant la circulation retinal. Dans certains rats colliculi supérieur de Longs rats Evans avait été auparavant exposé via craniotomy et surposé avec Gelfoam saturé avec le vert indocyanine (ICG). Aux points de temps variables les animaux ont été injectés intraveineusement ou intravitreally avec HEt ou le CM-H2DCFDA et reflétés avec fluorescein et-ou les filtres d'ICG en utilisant le HRA2. Les résultats: Nous avons démontré le foyer brillant multiple de fluorescence dans la couche de cellule de ganglion quand nous avons rétrogradement étiqueté d'ICG bilatéralement, en indiquant qu'ICG était un colorant rétrogradement transporté qui pourrait être découvert avec le HRA2. Après axotomy et l'injection intravitreal de CM-H2DCFDA, il y avait la fluorescence brillante dans le canal fluorescein dans quelques cellules dans la couche de cellule de ganglion, en accord avec la production d'une ou plusieurs espèces d'oxygène réactives. Les conclusions : RGCs peut être identifié et les niveaux d'espèces d'oxygène réactives mesurés en utilisant une fréquence double confocal Mots-clés : cellules ganglionnaires de la rétine; especes oxygenique radiculaire; la visualisation; / Title: Imaging Reactive Oxygen Species in RGCs In vivo Purpose: Reactive oxygen species not only are generated as a result of cellular injury, but also serve as signaling molecules for a variety of critical processes, including mitosis and cell death. We previously reported that injury to RGC axons induces a burst of superoxide within the cell body, probably of mitochondrial origin (Lieven et al, 2006). We now describe a method for imaging of reactive oxygen species within the retina of the living animal using a confocal scanning laser ophthalmoscope called the Heidelberg Retina Angiograph 2 (HRA2) equipped with dual lasers. Methods: Following preliminary studies using other indicators (hydroethidium; HEt) for reactive oxygen species, we attempted to image reactive oxygen species in the in vivo model using 5-(and-6)-chloromethyl-2',7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate, acetyl ester (CM-H2DCFDA). The resultant images were quantified using ImageJ. One optic nerve of Long-Evans rats was crushed intraorbitally, sparing the retinal circulation. In some rats the superior colliculi of Long-Evans rats had been previously exposed via craniotomy and overlaid with Gelfoam saturated with indocyanine green (ICG). At varying time points the animals were injected intravenously or intravitreally with HEt or CM-H2DCFDA and imaged with fluorescein and/or ICG filters using the HRA2. Results: We demonstrated multiple bright foci of fluorescence in the ganglion cell layer when we retrogradely labeled with ICG bilaterally, indicating that ICG was a retrogradely transported dye that could be detected with the HRA2. Following axotomy and intravitreal injection of CM-H2DCFDA, there was bright fluorescence in the fluorescein channel in a few cells in the ganglion cell layer, consistent with production of one or more reactive oxygen species. There was no cross-talk between the fluorescein and ICG channels when detecting ICG or CM-H2DCFDA, respectively. Conclusions: Retrograde labeled RGCs can be identified and levels of reactive oxygen species measured using a dual frequency confocal scanning laser ophthalmoscope. Keywords RGCs, oxidative radical, imaging

No description available.

La rétraction des dendrites de cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) est parmi les changements pathologiques qui conduisent à des déficits fonctionnels lors du glaucome. Récemment, on a montré que l’administration de l’insuline promeut une importante régénération des dendrites des cellules ganglionnaires de la rétine et rétablie les synapses. On se basant sur ces données, on a posé les questions suivantes: 1) Est ce que la réduction de la pression intraoculaire (PIO) élevée est suffisante pour promouvoir la régénération des dendrites en absence d’apport exogène de l’insuline? 2) Quels sont les mécanismes moléculaires en aval de l’insuline qui permettent la régénération des dendrites des CGR lors du glaucome? Les souris transgéniques Thy1-YFP, qui permettent la visualisation des dendrites des CGR, ont reçu une injection intra-camérale de microbilles magnétiques pour induire l’hypertension oculaire. Des gouttes journalières du brinzolamide ont été administrées pour réduire la PIO. Les CGR ont été imagés à l’aide du microscope confocal et les dendrites ont été reconstruites en 3D grâce au logiciel Imaris. Pour l’analyse des mécanismes moléculaires, les CGR ont été isolées grâce à la technique de cytométrie FACS, à partir des rétines traitées à l’insuline et au véhicule suivi par un séquençage d’ARN (ARNseq). Le brinzolamide réduit de façon effective la PIO, cependant cette réduction ne permet pas la régénération des dendrites des CGR. Le séquençage de l’ARN des rétines glaucomateuses et des rétines contrôles a aidé à identifier des voies de signalisation candidates pour participer à la régénération des dendrites des CGR incluant mTOR, Notch, glycolyse, métabolisme des acides gras, réparations d’ADN et myc-cibles. Ces données nous ont conduit à retirer les conclusions suivantes: 1) La réduction de la PIO n’est pas suffisant pour promouvoir la régénération IV des dendrites des CGR, suggérant que l’insuline endogène ne remplit pas le rôle de l’insuline exogène. 2) De nombreuses voies moléculaires sont activées pour mener l'effet régénérateur de l’insuline sur les dendrites des CGR. Ces résultats supportent le rôle de l’administration de l’insuline pour restaurer les connections et le fonctionnement de la rétine et identifient des gènes qui pourraient être de nouvelles cibles pour traiter le glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. High intraocular pressure (IOP) is the most important risk factor to develop the disease. The retraction of retinal ganglion cell (RGC) dendrites is one of the earliest pathological changes leading to substantial functional deficits. We recently demonstrated that insulin, administered after arbor retraction, promoted remarkable RGC dendrite and synapse regeneration. Here, we asked the following questions: 1) is insulin effective at promoting RGC dendrite regeneration in experimental glaucoma? 2) is reduction of IOP sufficient to promote dendrite regeneration in the absence of exogenous insulin? 3) what are the signaling components downstream of insulin that stimulate RGC dendrite regeneration in glaucoma? Thy1-YFP mice, which allow visualization of RGC dendritic arbors, received an intracameral injection of magnetic microbeads to induce ocular hypertension. RGC dendrites were imaged by confocal microscopy and arbors were 3D reconstructed. Total RGC dendritic length and complexity increased in glaucomatous eyes treated with insulin to values similar to those found in intact non-injured controls, but not in eyes treated with brinzolamide, to lower IOP, or vehicle. RGCs were isolated by Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) from insulin- or vehicle-treated glaucomatous retinas as well as shamoperated controls, followed by RNA sequencing analysis (RNA-seq). Our data show a global decrease in transcriptional efficiency in glaucomatous retinas. In addition, we identified a number of key regulatory pathways potentially implicated in insulin-induced RGC dendrite regeneration including: the mammalian target of rapamycin (mTOR), glycolysis, fatty acid metabolism, DNA repair, and myc-targets. These data allow us to draw the following conclusions: 1) insulin promotes robust RGC dendrite regeneration in glaucoma, 2) IOP reduction alone is not sufficient to promote dendritic regrowth, and 3) multiple molecular pathways are activated during insulin-mediated regeneration. These findings support a critical role for insulin administration to restore RGC dendritic structure, and identify differential gene expression that might reveal novel therapeutic targets for glaucoma.

Les modifications post-traductionnelles (MPTs) permettent un haut degré de régulation de l'expression des gènes en générant une diversité fonctionnelle au niveau du protéome. Dans le système nerveux, les MPTs régulent entre autres des facteurs de transcription permettant une adaptation rapide à un microenvironnement dynamique. Dans ce contexte, je me suis concentrée sur l’étude des Glycogène Synthase Kinases 3 (GSK3s). Elles sont au centre de la régulation de nombreuses voies de signalisation et contrôlent la stabilité de multiples cibles par phosphorylation. Au cours du développement du cerveau, les kinases GSK3 contrôlent la balance entre la prolifération et la différenciation. La dérégulation de l'activité des kinases GSK3 a un rôle clé dans les maladies neurodégénératives du cerveau. En revanche, le rôle important de ces kinases au cours du développement rétinien ainsi que dans les maladies neurodégénératives rétiniennes reste une question ouverte.L'objectif de ma thèse était d'étudier le rôle de ces kinases au cours du développement et de l'homéostasie rétinienne. J’ai montré que l'absence totale de Gsk3α et de Gsk3β très tôt au cours du développement rétinien entraîne une microphtalmie chez l'adulte. Les deux kinases jouent des rôles redondants puisque l'expression d'un seul allèle Gsk3 est suffisante pour prévenir le phénotype de microphtalmie. Cependant, une analyse phénotypique approfondie dans ce contexte génétique (un seul allèle Gsk3) a révélé une forte augmentation du nombre de cellules ganglionnaires déplacées (dRGCs) dans la couche nucléaire interne, associée à une modification des projections axonales des cellules ganglionnaires dans le cerveau par rapport aux contrôles. Dans l’ensemble, ces données suggèrent que les kinases GSK3s sont essentielles au maintien des progéniteurs rétiniens et sont impliquées dans la genèse des dRGCs. Compte tenu du très faible nombre de dRGCs en conditions normales, la fonction de ces cellules a été très peu étudiée à ce jour. Le modèle génétique que j’ai développé offre par conséquent un modèle de choix pour étudier l’ontogenèse et la fonction de ces cellules.Mes travaux de thèse se sont ensuite concentrés sur le rôle de GSK3 dans les photorécepteurs. En effet, des défauts de développement ou leur mort est l’une des principales causes de dégénérescence rétiniennes. Afin de mieux comprendre la fonction de ces kinases dans la maintenance des photorécepteurs, j'ai donc utilisé des souris invalidées de manière conditionnelle pour Gsk3α et Gsk3β spécifiquement dans les précurseurs des photorécepteurs. L’absence de GSK3 conduit à une altération de la maturation et de la fonction des photorécepteurs, suivie de leur dégénérescence. J’ai alors combiné des analyses transcriptomiques et des approches in vitro pour élucider les mécanismes sous-jacents. Mes données m’ont conduit à proposer un modèle selon lequel l’absence de GSK3 dans les photorécepteurs conduit à des défauts de phosphorylation de NRL (facteur de transcription nécessaire au développement des photorécepteurs de type bâtonnet), augmentant sa stabilité. Cette dérégulation post-traductionnelle conduit à la diminution d’expression d'un sous-ensemble de gènes cibles de NRL, co-régulés par CRX, et impliqués dans le développement et l'homéostasie des photorécepteurs. Cette dérégulation conduirait alors à la dégénérescence des photorécepteurs observée dans les mutants GSK3. Ce travail suggère donc que GSK3 joue un rôle essentiel dans la régulation de NRL pour contrôler la maturation et l'homéostasie des photorécepteurs. De telles données suggèrent également que ce mécanisme de régulation pourrait être déficient chez les patients atteints de rétinites pigmentaires dues à des mutations de NRL empêchant sa phosphorylation par GSK3. / Post-translational modifications (PTMs) allow a higher degree of regulation for the control of gene expression by generating functional diversity at the proteome level. In the central nervous system, PTMs regulate stability or activity of transcription factors allowing a rapid response to external signals and a quick adaptation to a dynamic cellular microenvironment. In this context, I focused on the ubiquitously expressed and highly conserved Glycogen Synthase Kinases 3 (GSK3s). They are at the crossroad of multifunctional signalling pathways. During mammalian brain development, GSK3 kinases control the balance between proliferation and differentiation. Deregulation of GSK3 kinases activity has also a key role in neurodegenerative diseases by causing the accumulation/aggregations of proteins causing neuronal cell death. Drugs targeting GSK3s hold a lot of promises to treat such diseases. Whether these kinases are also important during retinal development and involved in retinal diseases remains an open question. Several studies suggest the importance of regulating GSK3 function in photoreceptor under pathological conditions. Therefore, the main objective of my PhD was to investigate the role of these kinases during photoreceptor development and homeostasis. To better understand the role of these two kinases during retinal development and to highlight potential differences with the developing brain, we also investigated their function in the control of the balance between proliferation and differentiation of retinal progenitors. To achieve my work, I used conditional knockout mice for Gsk3α and Gsk3β specifically deleted either in photoreceptor precursors or in retinal progenitors during early development. The lack of GSK3 kinases in photoreceptor precursors led to impaired photoreceptor maturation and function followed by their degeneration. Transcriptomic analysis (RNAseq) 6, 10 and 14 days postnatally prior degeneration revealed several genes downregulated belonging to biological processes involved in eye development and visual functions. Among them, the expression of the transcription factor Nrl that is required for rod photoreceptor development was decreased. Astonishingly, NRL expression was highly increased at protein level. By in vitro approaches, I demonstrated that GSK3-dependent phosphorylation regulates NRL protein stability. Despite such increase, a large number of NRL target genes were downregulated leading to impaired photoreceptor maturation and function. Surprisingly, a vast majority of these downregulated genes were also target genes for CRX, another transcription factor working in synergy with NRL. This work demonstrates that PTMs of NRL play a critical role in fine tuning the expression of a subset of genes involved photoreceptor development and homeostasis. Such findings could allow the development of innovative therapeutic strategies for retinal dystrophies. The functional characterisation of GSK3 in the course of retinal development by invalidating both Gsk3α and Gsk3β in retinal progenitors early during development revealed their requirement for controlling cell cycle exit and neuronal differentiation. Indeed, the complete lack of Gsk3α and Gsk3β led to microphtalmia in adults. Interestingly, the expression of only one Gsk3 allele was enough to rescue the phenotype. However, further analysis revealed a large number of displaced ganglion cells in the inner nuclear layer. The function of these cells remains to be determined, but their timing of production corresponds to other ganglion cells. Strikingly, these displaced ganglion cells project in distinct brain regions than normal ganglion cells. Therefore, our work could provide the first step toward determining the function of the displaced ganglion cells, which appear at low number in wildtype but whose function remains to be clarified.

Les neuropathies optiques héréditaires se caractérisent par une dégénérescence des cellules ganglionnaires de la rétine entraînant une perte visuelle modérée voire la cécité. L'atrophie optique dominante (AOD) ou maladie de Kjer et la neuropathie optique de Leber (NOHL), sont les deux formes les plus fréquentes. Il existe quatre loci d'AOD mais seulement deux gènes identifiés : OPA1 et OPA3 codant des protéines mitochondriales. La NOHL est due à des mutations de l'ADN mitochondrial (ADNmt). Aucun traitement n'existe pour soigner ces pathologies ou ralentir leur progression. Nous nous sommes intéressés au gène YWHAH, situé au locus OPA5, codant la protéine 14-3-3eta, un des gènes majoritairement exprimés dans les GCRs. Le criblage de YWHAH dans des banques d'ADNs de patients exempts de mutation dans OPA1, OPA3 et l'ADNmt a permis d'identifier deux mutations hétérozygotes chez des patients présentant une AOD et une surdité profonde.14-3-3eta joue un rôle de protection dans l'apoptose. En effet, les fibroblastes de patients et des cellules surexprimant une 14-3-3eta mutée s'avèrent moins résistants à un stress apoptotique. Pour évaluer l'effet des mutations de 14-3-3eta sur la fonction visuelle et auditive nous avons généré une souris reproduisant une mutation humaine. Les souris 14-3-3eta hétéro et homozygotes ont une atteinte auditive de 15 à 20 décibels dès 2 mois, et seules les souris homozygotes présentent une altération de la fonction visuelle à partir de 12 mois affectant les interneurones et les photorécepteurs de la rétine. La souris mutante présente un phénotype moins grave que chez l'homme, mais son étude permet d'impliquer 14-3-3eta dans des atteintes neurosensorielles / Inherited Optic Neuropathies (ION) are characterized by the degeneration of the Retinal Ganglion Cells (RGCs), leading to moderate visual loss or legal blindness. Dominant Optic Atrophy or Kjer disease (DOA) and Leber Hereditary Optic Neuropathy (LHON) are the most common forms of IONs. There are four loci for DOA, but only two genes have been identified: OPA1 and OPA3 encoding mitochondrial proteins. LHON is caused by mitochondrial DNA (mtDNA) mutations. There is no treatment to cure these diseases or slow down their progression. In order to identify new genes responsible for DOA, our team was interested in the YWHAH gene localized at the OPA5 locus, coding the 14-3-3eta protein, a gene strongly expressed in RGCs. The screening of YWHAH in DNAs without mutation in OPA1, OPA3 and mtDNA allowed us to identify two heterozygous mutations in patients presenting a DOA associated to a severe deafness.As 14-3-3eta plays a role in apoptosis, we studied patient fibroblasts and found that they present a marked susceptibility to apoptosis. Moreover, the mutated alleles of 14-3-3eta lost their ability to confer resistance to cell death. In order to evaluate the effects of the 14-3-3eta mutations on the visual and auditory functions, we have generated an animal model mimicking a human mutation. The 14-3-3eta hetero and homozygous mice present a stable auditory impairment of 15 to 20 decibels, whereas only the homozygous mice present an alteration of the visual function at 12 months, with affected interneurones and photoreceptors. Even if the mutant mouse does not present a phenotype as dramatic as in human, its study shed light on 14-3-3eta involvement in neuronsensorial functions