La cécité ou la très grande malvoyance peut résulter de différentes pathologies comme les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) caractérisées par la perte des photorécepteurs. Une des approches pour traiter les DRH est la thérapie génique spécifique, c’est à dire le remplacement du gène défectueux par un gène sain. Des études chez des modèles animaux de DRH ont démontré l’efficacité de la thérapie géniques spécifique, et conduit au lancement d’essais cliniques.Malgré des résultats encourageants, la thérapie génique spécifique n’est pas toujours applicable, en particulier quand la dégénérescence est trop avancée ou si le gène muté est inconnu. Pour traiter tous les cas de DRH, un nouvel axe de thérapie génique est envisagé : le transfert d’optogène.Cette stratégie consiste à réactiver la rétine devenue aveugle par l’expression de protéines photosensibles dans la rétine. Notre objectif est d'évaluer l'efficacité du transfert d'optogène chez un modèle canin naturellement déficient pour le gène Rpe65, provoquant une forme sévère de DRH proche de celles retrouvées chez l’homme. La stratégie thérapeutique retenue est : L'injection intravitréenne, après vitrectomie, d'un vecteur recombinant dérivé du virus adéno-associé de sérotype2 (rAAV2/2), portant le transgène optogénétique sous contrôle d'un promoteur fort et spécifique des tissus neuronaux : hSyn. Le but de ce projet est de transduire efficacement les cellules ganglionnaires rétiniennes d'un modèle canin déficient pour le gène Rpe65 et d'évaluer la photosensibilité des cellules transduites. / Inherited retinal diseases (IRD) affect about 2 million people worldwide, leading to severe visual impairment.Specific gene addition therapy is one of the most promising strategies to treat these patients. Howevermany of them are not eligible for specific gene therapy,such as.1) Patients with unknown deficient genes.2) Patients beyond the therapeutic window.3) Patients whose the deficient gene is too large forAAV encapsidation.4) Patients undergoing a dominant form of IRD.Therefore, the aim of this project is to develop analternative strategy, independent of the mutation and the retinal degeneration kinetic: the optogene transfer. In context of IRD, it will consist to convert survivingretinal ganglion cells into sensitive light cells followingthe transfer of ChR2 or Opn4 optogene. Several rodentmodels of IRD have been successfully treated usingthese optogenes. Nevertheless, this approach hasnever been evaluated in large animal models. The objective of our study will be to define the feasibility ofoptogene transfer to restore vision in blind patients by evaluating the safety and the efficacy of AAV-mediated gene transfer of ChR2, eNpHR or Opn4, after vitrectomy, in ganglion cells of a canine model of IRD, the Rpe65-deficient dog.

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In this work, we studied three proteins from three different organisms by EPR spectroscopy: NpHtrII is part of the phototaxis system found in halophilic archaea, ChR2 is a cation-selective channel isolated from a green alga, and HsaCCA is an enzyme involved in the protein biosynthesis of humans. The goal was to identify characteristic conformations and dynamics in each of the studied proteins that were linked to their specific functions. The scientific disciplines employed in this work include biochemistry (site-directed spin-labeling), bioinformatics (data analysis, molecular modeling), informatics (device control, software development), molecular biology (mutagenesis, transformation, heterologous protein expression, protein purification, protein characterization), and physics (EPR spectroscopy, optical spectroscopy, experimental assembly). The experimental results show a strong interdependence between protein structure, conformers, dynamics, and function. Hydrogen bonds, although being a transient electrostatic attraction between polar molecules, are the key molecular interactions required for the conservation of protein functionality: Hydrogen bond networks in NpSRII and ChR2 stabilize the helix bundles, and hydrogen bond networks in HsaCCA mediate interdomain flexibility. However, the resulting structural alterations observed in our proteins manifest on a much larger scale: We have detected changes in the protein backbone mobility of the HAMP2 domain in NpHtrII after signaling. We have discovered the TMH B movement in ChR2 accompanying channel opening. And we have documented a substrate-dependent motion of the head domain in HsaCCA during catalysis.

Le cervelet permet l’apprentissage moteur et la coordination des mouvements fins. Pour ce faire, il intègre les informations sensorielles provenant de l’ensemble du corps ainsi que les commandes motrices émises par d’autres structures du système nerveux central. Les noyaux cérébelleux profonds (DCN) constituent la sortie du cervelet et intègre les informations provenant des cellules de Purkinje (PC), des fibres moussues et des fibres grimpantes. Nous avons étudié les connexions fonctionnelles entres les PC et les DNC in vivo, grâce à une stimulation optogénétique des lobules IV/V du cortex cérébelleux et à l’enregistrement multi unitaire du noyau médian. Nous avons ainsi identifié deux groupes de cellules au sein des DCN, présentant des caractéristiques propres au niveau de leur fréquence de décharge et de la forme des potentiels d’action, en accord avec la dichotomie établie par une précédente étude in vitro permettant de séparer les neurones GABAergiques des autres neurones. Nos résultats suggèrent que les PC contrôlent la sotie du cervelet d’un point de vue temporel. De plus, la ciruiterie interne des DCN conforte ce résultat de part le fait que les cellules GABAergiques ne produisent pas d’effet temporel au travers de l’inhibition locale. / The cerebellum integrates motor commands with somatosensory, vestibular, visual and auditory information for motor learning and coordination functions. The deep cerebellar nuclei (DCN) generates the final output by processing inputs from Purkinje cells (PC), mossy and climbing fibers. We investigated the properties of PC connections to DCN cells using optogenetic stimulation in L7-ChR2 mice with in vivo multi electrode extracellular recordings in lobule IV/V of the cerebellar cortex and in the medial nuclei. DCN cells discharged phase locked to local field potentials in the beta, gamma and high frequency bands. We identified two groups of DCN cells with significant differences in action potential waveforms and firing rates, matching previously discriminated in vitro properties of GABAergic and non-GABAergic cells. PCs inhibited the two group of cells gradually (rate coding), however spike times were controlled for only non-GABAergic cells. Our results suggest that PC inputs temporally control the output of cerebellum and the internal DCN circuitry supports this phenomenon since GABAergic cells do not induce a temporal effect through local inhibition.

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Die Modifikation von Genen ist in den molekularen Biowissenschaften ein fundamentales Werkzeug, um die Funktion von Genen zu studieren (Reverse Genetik). Diese Arbeit hat erfolgreich Zinkfinger- und CRISPR/Cas9-Nukleasen für die Verwendung in C. reinhardtii etabliert, um Gene im Kerngenom gezielt auszuschalten und präzise zu verändern. Basierend auf vorausgegangener Arbeit mit Zinkfingernukleasen (ZFN) konnte die Transformationseffizienz um das 300-fache verbessert werden, was die Inaktivierung von Genen auch in motilen Wildtyp-Zellen ermöglichte. Damit war es möglich, die Gene für das Kanalrhodopsin-1 (ChR1), Kanalrhodopsin-2 (ChR2) und das Chlamyopsin-1/2-Gen (COP1/2) einzeln und gemeinsam auszuschalten. Eine Analyse der Phototaxis in diesen Stämmen ergab, dass die Phototaxis durch Inaktivierung von ChR1 stärker beeinträchtigt ist als durch Inaktivierung von ChR2. Um das CRISPR/Cas9-System zu verwenden, wurden die Transformationsbedingungen so angepasst und optimiert, dass der Cas9-gRNA-Komplex als in vitro hergestelltes Ribonukleoprotein in die Zellen transformiert wurde. Um die Bedingungen für präzise Genmodifikationen zu messen und zu verbessern, wurde das SNRK2.2-Gen als Reportergen für eine „Blau-Grün Test“ etabliert. Kleine Insertionen von bis zu 30 bp konnten mit kurzen Oligonukleotiden eingefügt werden, während größere Reportergene (mVenus, SNAP-Tag) mithilfe eines Donor-Plasmids generiert wurden. In dieser Arbeit konnten mehr als 20 nicht-selektierbare Gene – darunter 10 der 15 potenziellen Photorezeptorgene – mit einer durchschnittlichen Mutationsrate von 12,1 % inaktiviert werden. Insgesamt zeigt diese Arbeit in umfassender Weise, wie Gen-Inaktivierungen und Modifikationen mithilfe von ZFNs und des CRISPR/Cas9-Systems in der Grünalge C. reinhardtii durchgeführt werden können. Außerdem bietet die Sammlung der zehn Photorezeptor-Knockouts eine aussichtsreiche Grundlage, um die Vielfalt der Photorezeptoren in C. reinhardtii zu erforschen. / Gene editing is a fundamental tool in molecular biosciences in order to study the function of genes (reverse genetics). This study established zinc-finger and CRISPR/Cas9 nucleases for gene editing to target and inactivate the photoreceptor genes in C. reinhardtii. In continuation of previous work with designer zinc-finger nucleases (ZFN), the transformation efficiency could be improved 300-fold, which enabled the inactivation of genes in motile wild type cells. This made it possible to disrupt the Channelrhodopsin-1 (ChR1), Channelrhodopsin-2 (ChR2) and Chlamyopsin-1/2 (COP1/2) genes individually and in parallel. Phototaxis experiments in these strains revealed that the inactivation of ChR1 had a greater effect on phototaxis than the inactivation of ChR2. To apply the CRISPR/Cas9 system, the transformation conditions were adapted and optimized so that the Cas9-gRNA complex was successfully electroporated into the cells as an in vitro synthesized ribonucleoprotein. This approach enabled gene inactivations with CRISPR/Cas9 in C. reinhardtii. In order to measure and improve the conditions for precise gene modifications, the SNRK2.2 gene was established as a reporter gene for a ‘Blue-Green test’. Small insertions of up to 30 bp were inserted using short oligonucleotides, while larger reporter genes (mVenus, SNAP-tag) were integrated using donor plasmids. Throughout this study, more than 20 non-selectable genes were disrupted, including 10 of the photoreceptor genes, with an average mutation rate of 12,1 %. Overall, this work shows in a comprehensive way how gene inactivations and modifications can be performed in green alga C. reinhardtii using ZFNs or CRISPR/Cas9. In addition, the collection of the ten photoreceptor knockouts provides a promising source to investigate the diversity of photoreceptor genes in C. reinhardtii.