Les muscles sont des structures très organisées qui nous permettent d’effectuer un grand nombre de fonctions. Ils sont constitués de cellules musculaires mais aussi de tissus conjonctifs qui comprennent à la fois des cellules et la matrice extracellulaire. Les interactions entre les cellules musculaires et le tissu conjonctif sont cruciales pour la physiologie du muscle. Le collagène VI (COLVI) est une molécule hétérotrimérique ubiquitaire située dans les tissus conjonctifs, qui est impliquée dans un grand nombre de processus biologiques. Les trimères de COLVI sont composés de 2 chaines dites “courtes” et d’une chaine “longue”. Chez les mammifères, il existe à ce jour, 6 chaines COLVI (deux courtes (α1-2(VI) et 4 chaines longues (α3-6(VI)). Peu de choses sont encore connues à propos de l’assemblage des chaines les plus récemment décrites α4-6(VI) avec les chaines courtes ainsi qu’une la potentielle compensation entre les différentes chaines longues. De plus, chez l’homme, un déficit en α1-3(VI) du fait de mutations dans les gènes correspondants COL6A1-3 conduit à un spectre de maladies neuromusculaires appelées myopathies liées au COLVI. Pendant ma thèse, je me suis intéressée au COLVI durant le développement du poisson-zèbre, un modèle pertinent pour l’étude de maladies neuromusculaires. Dans la première partie de mon travail, j’ai identifié 2 orthologues des chaines α4-6(VI) chez le poisson-zèbre grâce à des études bio-informatiques. Du fait de leur plus grande homologie avec la chaine α4(VI) murine, nous les avons nommés col6a4a et col6a4b. Pour mieux comprendre les rôles des protéines correspondantes, j’ai créé des embryons de poissons-zèbres déficients en COLVI en utilisant l’approche transitoire par oligo morpholino antisens (MOs). Nous avons dessiné des MOs ciblant des sites d’épissage des pré-messagers col6a2, col6a4a et col6a4b, provoquant un saut d’exon et conduisant à un stop prématuré (PTC). J’ai observé une forte diminution des transcrits ciblés. Tous les embryons injectés (morphants) ont présenté des phénotypes morphologiques macroscopiques qui ont conduit à des défauts fonctionnels. Ces phénotypes ont été confirmés au niveau ultra-structural par microscopie électronique. Toutefois, l’analyse de la croissance des motoneurones a permis de mettre en évidence des différences entre ces morphants. Par la suite, j’ai voulu créer deux types de lignées transgéniques, pour pouvoir à la fois étudier le déficit en COLVI à plus long terme (grâce à l’utilisation de Zinc Finger Nucleases) et tester des approches de cribles pharmacologiques (lignée transgénique col6a2 contenant un PTC, fusionné à la GFP). J’ai effectué les clonages nécessaires à l’obtention des différentes constructions, et ces dernières ont été testées in vitro pour validation, lorsque cela était possible. Malheureusement, du fait des forts taux de mortalité in vivo dans les deux cas, nous avons dû nous résoudre à arrêter ces projets. En parallèle, ma connaissance du modèle poisson-zèbre m’a donné l’opportunité, dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de Denis Furling, d’aborder une autre problématique. Ce groupe, qui travaille sur la Dystrophie Myotonique de type 1 (DM1), s’est intéressé à la réexpression d’une isoforme fœtale de la dystrophine retrouvée chez les patients DM1 et à sa possible implication dans la pathologie. L’isoforme fœtale diffère de la forme adulte notamment par l’exclusion de l’exon 78, conduisant à un changement de cadre de lecture et un changement dans la partie 3’ de l’ARN de la dystrophine. Nous avons montré que le maintien de l’isoforme fœtale de la dystrophine était délétère pendant le développement du poisson-zèbre, puisque ces embryons ont présenté un phénotype macroscopique dépendant de la dose de MO injectée ainsi que des troubles de la mobilité. / Muscles are highly organized structures that allow us to perform many functions. They are made from muscular cells but also surrounding tissues that comprise both cells and extracellular matrix. The interactions between them are crucial for the muscle physiology. Collagen VI (COLVI) is a heterotrimeric protein, ubiquitously expressed in connective tissues. It plays multiple biological roles in the maintenance of structural integrity, cellular adhesion, migration and survival. COLVI trimers are formed by the assembly of 2 “short” chains and 1 “long” chain. To date, six COLVI chains are recognized in mammalians with 2 short (α1-2(VI)) and 3 long (α3-6(VI)) chains. Little is known regarding the possible assembly of the newly characterized α4-6(VI) polypeptides with the short chains, and a putative functional compensation between the different long chains. Furthermore, in humans, deficiency in α1-3(VI) due to mutations in the COL6A1-3 genes causes a heterogeneous group of neuromuscular disorders collectively termed COLVI-myopathies. During my Ph.D, I got interested in COLVI during the development of zebrafish, a relevant model of neuromuscular disorders. In the first part of my work, I identified 2 orthologs of the α4-6(VI) chains in zebrafish thanks to bio-informatics studies. In light of their stronger homology with the mammalian α4(VI) chain, we named the genes encoding the novel chains col6a4a and col6a4b. To further unveil the roles of the corresponding proteins, we created COLVI deficient zebrafish embryos using a morpholino antisense oligonucleotides approach (MO) . We chose to design MOs that block splicing of col6a2, col6a4a and col6a4b, thereby creating premature termination codons. As expected, the targeted transcripts levels were drastically reduced, likely due to degradation by the nonsense mediated RNA decay. All morphant embryos presented macroscopic and morphologic phenotypes that overall resulted in functional muscle defects: altered muscle structure detected by birefringence analysis and impaired motility upon touch-evoked escape test. These alterations were confirmed at the ultra-structural level by electron microscopy. Nevertheless, some phenotypical specificities were uncovered between the different col6a2, col6a4a and col6a4b morphants, with the discovery of axon outgrowth defects. In a second part, we wanted to create stable zebrafish lines to study COLVI deficiency at later stages using Zinc Finger Nucleases (ZFN) and to be able to carry out pharmacological screenings with a transgenic line containing col6a2 with a premature codon (PTC) fused to the GFP. I performed clonings to obtain the different constructs. When possible, constructs were tested in vitro. Unfortunately, due to high mortality in vivo in both cases, we had to interrupt these projects. In parallel, my knowledge of the zebrafish model gave me the opportunity to be part of another project, in collaboration with the team of Denis Furling...

La perception de la viande bovine par le consommateur est un enjeu crucial pour l’industrie de la viande. La tendreté reste l’une des qualités organoleptiques essentielle aux yeux du consommateur, avec la jutosité et la flaveur. L’objectif de ma thèse a été d’étudier les propriétés structurales et biochimiques du tissu conjonctif intramusculaire responsables de la dureté de base et de faire le lien avec la tendreté et plus largement avec les qualités organoleptiques de la viande. Le développement et la mise au point d’une méthode d’analyse d’images a permis d’étudier objectivement les caractéristiques des composantes périmysiale et endomysiale du tissu conjonctif intramusculaire et de montrer que la surface occupée par ces deux structures influençait la tendreté de la viande. Préalablement à l’étude biochimique et moléculaire du tissu conjonctif intramusculaire le dosage des protéoglycanes totaux a été développé et mis en place au laboratoire. Les résultats de cette deuxième partie ont permis de mettre en avant la complémentarité entre protéoglycanes, collagène total et liaisons de réticulation au sein du muscle et leur rôle sur la jutosité. Par ailleurs, nous avons pu mettre en évidence le rôle positif des protéoglycanes de haut poids moléculaire sur la jutosité, alors que les protéoglycanes de faible poids moléculaire, telle que la décorine,joueraient plutôt un rôle sur la dureté de la viande. L’ensemble des résultats obtenus confirme nos hypothèses, à savoir que la composante structurale ainsi que les molécules minoritairement présentes dans le tissu conjonctif peuvent influencer les qualités organoleptiques de la viande bovine. / The perception of beef by consumers is a crucial issue for the meat industry. Tenderness remains one of the sensory qualities essential to the consumer, with the juiciness and flavour. The aim of my thesis was to study the structural and biochemical properties of intramuscular connective tissue responsible for the background toughness and study relationships with tenderness and more widely with the sensory qualities of beef. The development of a method of image analysis was used to study objectively the characteristics of the perimysial and endomysial component of the intramuscular connective tissue. The results showed that the area occupied by these two structures influenced the beef tenderness. An assay for total proteoglycan measurement has been developed previously to the study of biochemical and molecular characteristics intramuscular connective tissue. The results obtained in this second part have highlighted the complementarities between proteoglycans, total collagen and cross-links within the muscle and their role on the juiciness. Furthermore, we were able to highlight the positive role of high molecular weight proteoglycans on juiciness, while low molecular weight proteoglycans, such as decorin, rather played a role in beef toughness. The overall results confirm our hypothesis that the structural components of the connective tissue and the small quantity of extracellular matrix molecules could influence the sensory qualities of beef.

L'asthme équin est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires inférieures caractérisée principalement par des changements structuraux menant à un épaississement de la paroi des bronches et à l’obstruction du débit d'air. Le traitement de l'asthme équin inverse partiellement ce remodelage. Dans l’asthme, chez l’humain, la démonstration que l'angiogenèse contribue à l'épaississement de la paroi bronchique en augmentant la vascularisation de la muqueuse respiratoire ouvre une nouvelle fenêtre pour un traitement plus ciblé. Cependant, peu d'information est disponible sur le rôle potentiel exercé par l'angiogenèse dans l'asthme équin. L'objectif de cette étude est de documenter la présence d'angiogenèse dans les voies respiratoires inférieures des chevaux asthmatiques. Des échantillons bronchiques récoltés chez sept chevaux asthmatiques éprouvant une exacerbation de la maladie, sept chevaux asthmatiques en rémission clinique et chez sept chevaux sains du même âge ont été étudiés. L'analyse immunohistochimique a été réalisée en utilisant le collagène de type IV comme biomarqueur pour les membranes basales des vaisseaux sanguins. Le nombre de vaisseaux, la densité vasculaire, l'aire vasculaire et les valeurs moyennes de taille des vaisseaux ont été mesurés par histomorphométrie à l'aide d'un logiciel d'analyse d’images (Image J) et les valeurs provenant des trois groupes comparés à l'aide d'une ANOVA à une voie (p <0,05). Un test post hoc Benjamini-Hochberg par paire a été effectué pour corriger le niveau alpha pour les mesures répétées. Une augmentation significative du nombre de vaisseaux chez les chevaux asthmatiques en exacerbation (p = 0,007) et chez les chevaux en rémission (p = 0,02) a été observée par comparaison aux chevaux sains. De plus, l'aire vasculaire était augmentée chez les chevaux souffrant d'asthme en exacerbation comparativement aux chevaux sains (p = 0,02) et ceux en rémission (p = 0,04). Aucune autre différence significative n'a été observée. En conclusion, les voies respiratoires centrales des chevaux asthmatiques présentent des indices d'angiogenèse, ce qui suggère qu'elle puisse contribuer à l'épaississement de la paroi des bronches. D'autres études sont justifiées afin d'évaluer la réponse à un traitement ciblé. / Equine asthma is a chronic inflammatory disease of the lower airways characterized by structural changes that lead to bronchial wall thickening and airflow obstruction. Treatment for equine asthma partially reverse these remodeling changes. Angiogenesis has been shown to increase vascularization of the bronchial mucosa, which contributes to the thickening of the bronchial wall in humans with asthma, opening a new window for a targeted treatment. However, little information is available related to the occurrence of angiogenesis in asthmatic horses. The objective of this study is to document the presence of angiogenesis in the bronchi of asthmatic horses. Bronchial samples from seven asthmatic horses collected during an episode of exacerbation of the disease, seven asthmatic horses in clinical remission, and seven agematched healthy horses were studied. Immunohistochemistry analysis was performed with type IV collagen as a biomarker for basement membranes. The number of vessels, vascular density, vascular area and mean vessel size values were measured by histomorphometry using an image analysis software (Image J) and values from all three groups were compared using a one-way ANOVA (p <0.05). A Benjamini-Hochberg pairwise post hoc-test was performed to correct the alpha level for repeated measurements. A significant increase in the number of vessels in asthmatic horses in exacerbation (p = 0.007) and in horses in remission (p = 0.02) was observed in comparison to controls. Similarly, the vascular area was increased in horses with asthma in exacerbation when compared to controls (p = 0.02) and to horses in remission (p = 0.04). No other significant differences were observed. In conclusion, angiogenesis is present in the central airways of asthmatic horses, suggesting that it may contribute to the thickening of the airway wall. Further studies are warranted in order to assess the response to a targeted treatment.

Les invadosomes sont des structures d’invasion plastiques et dynamiques qui interagissent avec leur microenvironnement. Ils possèdent différentes fonctions telles que l’adhésion, la mécanotransduction ou encore la dégradation de la matrice extracellulaire (MEC). Mon travail de thèse s’est concentré sur i) l’étude globale de la composition des invadosomes par spectrométrie de masse et ii) sur l’impact d’éléments du microenvironnement dans la formation de ces structures d’invasion.i) Les invadosomes sont des complexes multi-protéiques dont tous les partenaires ne sont pas encore totalement identifiés. Au laboratoire, une nouvelle approche combinant la microdissection laser suivie d’une analyse par spectrométrie de masse, a été développée. Cette technique a été appliquée à l’étude des invadosomes rosettes. Nous avons ainsi mis en évidence une nouvelle fonction associée aux invadosomes, en les définissants comme des sites actifs de traduction protéique. Les invadosomes cependant, sont des structures plastiques dont la formation et la morphologie sont modulées par différents éléments de l’environnement. Nous souhaitons à présent déterminer les partenaires communs et spécifiques entre les différentes organisations des invadosomes afin d’identifier les molécules impliquées dans cette plasticité.ii) La formation des invadosomes peut être induite par différents éléments du microenvironnement comme des facteurs de croissance ou encore la composition et la rigidité de la MEC. Le TGF-β est un facteur de croissance impliqué dans la formation des invadosomes, dans la promotion de la rigidité de la MEC et dans la fibrose hépatique pouvant mener au développement du carcinome hépatocellulaire. Nous avons alors étudié l’impact du TGF-β dans la formation des invadosomes linéaires en contexte de collagène de type I. Nous montrons que le TGF-β module la machinerie moléculaire associée aux invadosomes linéaires en induisant l’expression de DDR1 et MT1-MMP, ainsi que des éléments impliqués dans leur formation tels que le collagène I. Ces modulations sont dépendantes de la voie de signalisation canonique du TGF-β passant par Smad4 et favorisent la formation et l’activité des invadosomes linéaires. De plus, le TGF-β induit une surexpression de la LOXL2 qui est une enzyme de réticulation du collagène, augmentant la rigidité de la matrice ce qui favorise la formation des invadosomes.Les résultats obtenus durant ma thèse auront permis de mieux définir les éléments impliqués dans la composition et la formation des invadosomes. / Invadosomes are plastic and dynamic invasive structures interacting with the microenvironement. Those structures are involved in several functions as adhesion, mecanotransduction and degradation of the extracellular matrix (ECM). My PhD work focuses on i) the study of the invadosomes composition by mass spectrometry and ii) on the impact of microenvironmental elements on the formation of those invasive structures.i) Invadosomes are multi-protein complexes in which all partners are not yet fully identified. In the laboratory, a new approach combining laser micordissection followed by mass spectrometry analysis was developed. This technique has been applied to the study of invadosome rosettes. We have demontrasted a new function associated with indosomes, defining them as active sites of protein translation. Invadosomes, however, are plastic structures whose formation and morphology are modulated by different elements of the environment. We now wish to determine the common and specific partners between the different invadosomes organizations in order to identify the molecules involved in their plasticity.The invadosomes formation can be induced by different elements of the microenvironment such as growth factors or the composition and rigidity of the ECM. TGF-β is a growth factor involved in the invadosomes formation, in the ECM rigidity and in liver fibrosis that can lead to the development of hepatocellular carcinoma. We have studied the impact of TGF-β in the formation of linear invadosomes in the context of type I collagen. We show that TGF-β modulates the molecular machinery associated with linear invadosomes by inducing the expression of DDR1 and MT1-MMP, as well as elements involved in their formation, such as collagen I. These modulations are dependent on the TGF-β canonical signaling pathway through Smad4 and promote the formation and activity of linear invadosomes. In addition, TGF-β induces an overexpression of LOXL2, which is a collagen cross-linking enzyme, increasing the matrix stiffness and promotes the formation of these structures.Taken together, these results enabled us to better define the elements involved in the composition and formation of invadosomes.

Les patients atteints de cécité cornéenne résultant d'une maladie ou d'une blessure dans de nombreux pays ne seront probablement pas transplantés avec des cornées de donneurs humains en raison d'une grave pénurie mondiale de tissus de donneurs. Cependant, même si des cornées de donneurs étaient disponibles, les patients présentant une inflammation ou une maladie grave ne seraient pas aidés car ils courent un risque élevé de rejet des cornées de donneurs car celles-ci contiennent des cellules allogéniques. Les implants cornéens sans cellules qui ne déclenchent pas de rejet ont été développés comme alternatives à la transplantation de donneurs humains par le laboratoire Griffith, et ont montré dans un premier essai clinique chez l'homme qu'ils régénèrent de manière stable le tissu et les nerfs cornéens. Ces implants comprenaient du collagène humain recombinant, la principale protéine structurelle trouvée dans la cornée humaine. Cependant, les collagènes de pleine longueur sont difficiles et coûteux à produire et ne peuvent pas être personnalisés. Une grande variété de peptides plus courts qui imitent le collagène et d'autres molécules de la matrice extracellulaire ont été développés et testés. Cela comprend les peptides hybrides combinant le collagène et la soie (VBsilk). Le but de ma thèse est de confirmer les simulations de VBsilk d'un peptide hybride collagène-soie produit au Griffith Lab. Un autre objectif est de déterminer les conditions de production et de purification pour montrer que le peptide simulé peut être converti en un peptide réel. En bref, l'ADN codant pour une séquence de VBsilk a été cloné dans ClearColi, une souche d'E. Coli à faible endotoxine. Les bactéries ont été cultivées dans des cultures à grand volume. Le VBsilk a été extrait et purifié par FPLC. SDS-PAGE a montré que des bandes de protéines de taille appropriée étaient obtenues. Par conséquent, il est possible de produire le peptide VBsilk. / Patients with cornea blindness resulting from disease or injury in many countries are unlikely to be transplanted with human donor corneas due a worldwide severe shortage of donor tissues. However, even if donor corneas were available, patients with inflammation or severe disease would not be helped as they are at a high risk of rejecting donor corneas as these contain allogeneic cells. Cell-free corneal implants that do not trigger rejection were developed as alternatives to human donor transplantation by the Griffith lab, and shown in a first-in-human clinical trial to stably regenerate corneal tissue and nerves. These implants comprised recombinant human collagen, the main structural protein found in the human cornea. However, full-length collagens are difficult and expensive to produce, and cannot be customized. A wide variety of shorter peptides that mimic collagen and other extracellular matrix molecules have been developed and tested. This includes hybrid peptides combining collagen and silk (VBsilk). The aim of my thesis is to is to confirm simulations of VBsilk, a hybrid collagen-silk peptide that was produced in the Griffith Lab. A further aim is to determine the conditions for the production and purification to show that simulated peptide can be converted into an actual peptide. Briefly, the DNA coding for a VBsilk sequence was cloned into ClearColi, a strain of E. coli with low endotoxin. The bacteria were grown up in large volume cultures. The VBsilk was extracted and purified by FPLC. SDS-PAGE showed that appropriate-sized bands of protein were obtained. Hence, it is possible to produce VBsilk peptide.

La greffe de Membrane Amniotique Humaine (MAH) permet la cicatrisation des ulcères pré-perforants de la cornée et de sauver un nombre significatif d'yeux victimes de brûlures chimiques. La MAH est un matériel biologique, son utilisation pour le traitement des maladies de la surface oculaire donne de bons résultats en raison de sa capacité à réduire l'inflammation et promouvoir une épithélialisation rapide. Pour son utilisation en clinique, la MAH doit bien évidemment être stérile, mais aussi facile à transporter du centre préleveur au centre greffeur, et stockable longtemps et facilement. Actuellement en routine à la banque de tissus de Rouen, la membrane amniotique est séparée de l’amnios puis dénudée de leur couche spongieuse. Par la suite cette membrane est conservée par cryopréservation (congélation à –80°C) ce qui complique potentiellement l’acheminement des membranes. Par conséquent, dans le cadre de cette étude avec la Banque Normande de Cornées du CHU de Rouen nous avons développé la lyophilisation des MAH pour faciliter son utilisation et sa distribution. L’étude du mapping de la MAH permettra également de déterminer si le taux de facteurs de croissance est homogène dans la MAH ou s’il dépend sa distance par rapport au cordon ombilical. L’étude de la biocompatibilité in vivo d’un deuxième matériau composé de collagène nous permet également d’envisager une alternative pour une implantation du stroma. Nos analyses protéiques (ELISA et Label-free) des MAH la lyophilisées ne montrent pas de différence significative en terme de quantité et de qualité protéique. L’approche protéomique est complétée par l’analyse de la capacité des cellules épithéliales de cornée humaines (CEC) à se multiplier sur la membrane amniotique lyophilisée in vitro. Nous n’avons pas observé de différence entre la croissance des cellules épithéliales sur la MAH lyophilisée ou congelée. L’analyse du total de protéines extraites montre également que la lyophilisation ne dégrade pas les MAH au niveau protéique.Au niveau structurel les résultats de la microscopie électronique ont montré que la structure du stroma de la MAH est impactée par la lyophilisation. La greffe des MAH a été réalisée sur les ulcères cornéens chez le lapin. Au cours de l’expérimentation les lapins n’ont pas montré de signe d’inflammation, les analyses histologiques ont mis en évidence l’épithélialisation de la surface oculaire. Ce projet est en collaboration avec l‘association ophtalmo sans frontière pour qu’à terme le développement de l’utilisation clinique des MAHL répondant notamment à des besoins humanitaires (Cameroun). Notre étude de la cartographie de la MAH a également montré qu’une variabilité en termes de quantité de protéine existe entre les différents donneurs. Dans cette étude nous avons également montré que la couche spongieuse est une source de facteurs de croissance importante dans le processus de cicatrisation des ulcères cornéens. / The Human Amniotic Membrane (HAM) graft allows the healing of corneal ulcers and rescues a significant number of eyes with chemical burn. HAM is a biological material, its use for the treatment of ocular surface diseases gives good results because of its ability to reduce inflammation and promote rapid epithelialization. For its clinical use, the HAM must of course be sterile, but also easy to transport from the sampling center to the transplant center, and easily storable and for a long time. Currently on routine in the tissue bank of Rouen, the amniotic membrane is separated from the amnion and denuded of its spongy layer. Subsequently this membrane is stored by cryopreservation (freezing at -80 ° C) which potentially complicates the delivery of membranes. Consequently, as part of this study with the Banque Normande de Cornées of Rouen University Hospital, we have developed freeze-drying of HAM to facilitate its use and distribution. The HAM mapping study will also determine whether the level of growth factors is homogeneous in the HAM or whether it depends on its distance from the umbilical cord. The study of the in vivo biocompatibility of a second material composed of collagen also allows us to consider an alternative for implantation at the level of the stroma. Our protein analyzes (ELISA and Label-free) of freeze-dried HAM do not show any significant difference in terms of quantity and protein quality. The proteomic approach is complemented by the analysis of the ability of human corneal epithelial cells (CECs) to multiply on the freeze-dried amniotic membrane in vitro. We did not observe any difference between the epithelial cells growths on freeze-dried or frozen HAM. The analysis of the extracted protein total also shows that freeze-drying does not degrade the HAM at the protein level. At the structural level the electron microscopy results showed that the structure of the MAH stroma is impacted by freeze-drying. The MAH transplant performed on corneal ulcers in rabbits was performed. During the experiment the rabbits did not show any sign of inflammation, the histological analyzes highlighted the epithelialization of the ocular surface.This project is in collaboration with OSF association for the development of the clinical use of MAHL responding in particular to humanitarian needs (Cameroon). Our study of HAM mapping also showed that variability in terms of amount of protein exists between different donors. We have also shown that the spongy layer is an important source of important growth factor in the healing process of corneal ulcers.

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

Type II collagen, which gives the cartilage its tensile strength, is destroyed in osteoarthritis (OA). Cathepsin K is recognized as capable of cleaving type II collagen, however, the regulation of its activity in the cartilage is little known. Our hypothesis is that the activity of cathepsin K in cartilage is measured by an ELISA specific to cathepsin K cleavage site. A new specific ELISA (C2K77) was developed and tested by measuring the activity of the exogenous cathepsin K. The ELISA C2K77 was then used to measure the activity of the endogenous cathepsin K in equine articular cartilage explants cultured with or without stimulation (IL-1β, TNF-α, Oncostatin M (OSM) and LPS). Then the activity of cathepsin K was compared to that of MMPs (C1,2C ELISA) in the cartilage explants and in the freshly harvested cartilage. A significant difference was observed between normal cartilage and cartilage digested with cathepsin K (p˂0.01). There was no significant difference in the content of C2K77 between the control group and the groups stimulated while the content of C1,2C was increased by the combination of IL-1β and OSM (p = 0.002) and TNF-α and OSM (p˂0.0001). The new ELISA C2K77 demonstrates the ability to measure the activity of cathepsin K and revealed that there is a difference between the regulation of cathepsin K and MMP in articular cartilage. / Le collagène de type II, qui confère au cartilage articulaire sa résistance à la tension, est détruit dans l’arthrose. La cathepsine K est reconnue comme pouvant cliver le collagène de type II. Cependant, la régulation de son activité dans le cartilage est peu connue. Notre hypothèse est que l’activité de la cathepsine K dans le cartilage est mesurable par une ELISA spécifique au site de clivage de la cathepsine K. Une nouvelle ELISA spécifique (C2K77) a été développée et testée en mesurant l’activité de la cathepsine K exogène. L’ELISA C2K77 a ensuite été utilisée pour mesurer l’activité de la cathepsine K endogène dans des explants de cartilage articulaire équin mis en culture avec ou sans stimulations (IL-1β, TNF-α, oncostatine M (OSM) et le LPS). Puis l’activité de la cathepsine K a été comparée à celle des MMPs (avec l’ELISA C1,2C) dans les explants de cartilage et dans le cartilage fraichement récolté. Une différence significative a été observée entre le cartilage normal et le cartilage digéré avec la cathepsine K exogène (p˂0.01). Il n’y avait aucune différence significative dans la quantité de C2K77 entre le groupe control et les groupes stimulés tandis que la quantité de C1,2C a été augmenté par la combinaison de l’IL-1β et de l’OSM (p=0.002) et du TNF-α et de l’OSM (p˂0.0001). La nouvelle ELISA C2K77 démontre la capacité de mesurer l’activité de la cathepsine K et a permis de voir qu’il y a une différence entre la régulation de la cathepsine K et des MMPs.

Il y a 4 isoforme de p38 : α, β, δ, and γ. MK5, à l'origine identifié comme étant un régulateur de PRAK (Regulated/Activated Protein Kinase), est maintenant connu pour être activée par la protéine kinase p38 (qui est un mitogène activé par la protéine kinase, MAPK). Cette dernière est impliquée dans les mécanismes de fibrose et d'apoptose pendant l'hypertrophie cardiaque. De plus, MK5 est également activée par les MAPKs atypiques; ERK3 et ERK4. Bien qu’elles soient fortement exprimées dans le coeur, le rôle physiologique de MK5 et ERK3 demeure inconnu. Par conséquent, nous avons étudié l'effet de la constriction aortique transversale (TAC) – induisant un surcharge chronique de pression chez les souris hétèrozygotes knockout pour MK5 (MK5+/-) ou ERK3 (ERK3+/-) et pour leurs types sauvages (MK5+/+ et ERK3+/+). Deux sem post-TAC; le ratio de poids du coeur/poids corporel a été augmenté chez les 2 souris MK5+/- et MK5+/+. L'échocardiographie de la trans-thoracique démontre que la surcharge de pression a altéré la fonction diastolique du ventricule gauche chez MK5+/+, mais pas chez la souris MK5+/-. De plus, nous avons observé moins de dépôt de collagène, évalué par une coloration au trichrome de Masson, 2 et 3 sem post-TAC chez les souris MK5+/-. Parallèlement, le niveau de l’ARNm de collagène type1 alpha-1 a été significativement diminué dans les coeurs des souris MK5+/-, 2 et 3 sem post-TAC. De même, ERK3, mais pas ERK5 ni p38α, co-IP avec MK5 dans les 2 modèles des coeurs TAC; aigus ou chroniques. En revanche, l’ajout exogénique de GST-MK5 a abaissé ERK4 et p38α, mais pas ERK3 dans les lysâtes de coeur de souris. Par contre, GST-ERK3 et GST-p38α ne démontrent aucune co-IP avec MK5. Ces données suggèrent que dans le coeur seul ERK3, et non ERK4 ou p38α, est capable d’interagir avec, et réguler MK5. A niveau physiologique MK5 interagit entièrement avec ERK3 et par conséquent MK5 n’est pas disponible pour lier les protéines exogéniques. Les souris hétérozygotes pour ERK3 (ERK3+/-) ont également démontré une réduction ou une absence de collagène et une faible expression d’ARNm du collagène type1 alpha1, 3 sem post-TAC. Ces résultats démontrent un important rôle pro-fibrotique de la signalisation MK5-ERK3 pendant une surcharge chronique de pression.Nous avons également démontré 5 variant d'épissage de (MK5.1-5), y compris la forme originale (MK5.1). MK5.2 et MK5.5 subissent une délétion de 6 paires de base dans l’exon 12 : MK5.3 manque l'exon 12 : MK5.4 et MK5.5 manquent les exons 2-6. L'expression des ARNm des différents variant d'épissage a été vérifiée par PCR en temps réel (qPCR). Bien que l’expression est ubiquitaire, l'abondance relative de chaque variant était tissu-spécifique (coeur, rein, pancréas, muscle squelettique, poumon, foie, et cerveau). En plus, l'abondance relative des variant d’épissage varie pendant la surcharge de pression et le développement postnatal du coeur. En outre, l'immunofluorescence a indiqué que MK5.1-5.3 se localise au noyau alors que MK5.4-5.5 est situé au niveau cytoplasmic dans les cellules HEK 293 non stimulées. Suite à une stimulation avec l'anisomycin, un activateur de p38 MAPK, MK5.1-5.3 se translocalise du noyau au cytoplasme alors qu’une petite fraction de MK5.4-5.5 translocalise vers le noyau. Ces variant d'épissage peuvent diversifier la signalisation de MK5-ERK3 dans coeur, mais leur rôle exact oblige des recherches supplémentaires. Excepté l’isoforme δ, toutes les isoformes de p38 sont exprimées dans le coeur et la forme α est considérée comme étant l'isoforme dominante. L’analyse par qPCR et immunobuvardage de type western ont démontré que p38α et p38γ sont les deux isoformes prédominantes alors que p38β et p38δ sont exprimées aux mêmes niveaux dans le coeur de rat adulte. L'immunofluorescence a démontré que p38α et p38γ se trouvent dans le cytoplasme et le noyau. Cependant, suite à la surcharge par TAC, p38γ s'est accumulé dans noyau tandis que la distribution de p38α est demeurée inchangée. Ainsi, l'abondance de p38γ et sa translocalisation nucléaire suite à la surcharge de pression indique un rôle potentiel dans l'expression génique pendant le remodelage cardiaque. En conclusion, nous avons mis en évidence pour la première fois un rôle pro-fibrotique pour la signalisation MK5-ERK3 pendant une surcharge chronique de pression. D'ailleurs, les niveaux comparables d'expression de p38γ avec p38α, et la localisation différentielle de p38γ pendant la surcharge aiguë ou chronique de pression suggèrent différents rôles possibles pour ces isoformes pendant le remodelage hypertrophique cardiaque. / There are 4 isoforms of p38 MAP kinase: α, β, γ, and δ. p38 signaling has been implicated in fibrosis and apoptosis during cardiac hypertrophy. MK5, originally identified as a p38 Regulated/Activated Protein Kinase (PRAK), is known to be downstream of p38 mitogen activated protein kinase (MAPK). Although highly expressed in the heart, the physiological roles of MK5 remain unknown. To determine if MK5 plays a role in mediating detrimental effects downstream of p38, we studied the effect of transverse aortic constriction (TAC)-induced chronic pressure overload in mice heterozygous for a knockout of MK5 (MK5+/-). Moreover, as MK5 is also activated by the atypical MAPKs, ERK3 and ERK4, the effects of TAC were also studied in ERK3+/- mice. Wild-type (MK5+/+; ERK3+/+) littermates were used as controls. Two wks post-TAC, heart weight/body weight ratios were significantly and similarly increased in both MK5+/- and MK5+/+ hearts. Trans-thoracic echocardiography revealed that pressure overload impaired left ventricular diastolic function in MK5+/+, but not in MK5+/- hearts. In addition, less collagen deposition, assessed by Masson trichrome staining, was observed in MK5+/- hearts 2 and 3 wks post-TAC. Furthermore, TAC-induced increases in collagen alpha1 type1 mRNA levels were significantly lower in MK5+/- hearts at both 2 and 3 wks post-TAC. Immunoprecipitation of MK5 resulted in co-immunoprecipitation of ERK3 but not ERK4 or p38α in either acute or chronic sham-operated and TAC hearts. In contrast, exogenous GST-MK5 pulled down endogenous ERK4 and p38α, but not ERK3, from mouse heart lysates. Neither exogenous GST-ERK3 nor GST-p38α pulled down MK5. These results suggest that MK5 associates with, and is regulated by ERK3, but not ERK4 or p38α in heart. At physiological expressional levels, all MK5 was bound to ERK3 and hence not available to bind exogenous protein. Along similar lines, mice heterozygous for an ERK3 knockout (ERK3+/-) also showed reduced or absent collagen deposition and lower collagen alpha1 type1 mRNA levels 3 wks post-TAC. This data suggests an important pro-fibrotic role of MK5-ERK3 signaling during chronic pressure overload.We also demonstrated the existence of 5 splice variants of (MK5.1-5), including the originally published form (MK5.1). MK5.2 and MK5.5 had a 6 base pair deletion in exon 12: MK5.3 lacked exon 12: and MK5.4 and MK5.5 lacked exons 2-6. Subsequently, expression of the splice variants at the mRNA level was quantified by real time qPCR. Although ubiquitously expressed, the relative abundance of each variant was tissue-specific (heart, kidney, pancreas, skeletal muscle, lung, liver, and brain). Additionally, the relative abundance of MK5 splice variants changed in the heart during pressure overload and post-natal development. Furthermore, immunofluorescence revealed MK5.1-5.3 localized to the nucleus and MK5.4-5.5 to the cytoplasm in unstimulated HEK 293 cells. Upon stimulation with anisomycin, which activates p38 MAPK, MK5.1-5.3 translocated from the nucleus to the cytoplasm and small amounts of MK5.4-5.5 relocated to the nucleus. These splice variants may further diversify MK5-ERK3 signaling in the heart, but their exact role awaits further investigation. With the exception of p38δ, all p38 isoforms are expressed in the heart and α is considered to be the prominent isoform in this tissue. qPCR and western blot analysis revealed p38α and p38γ to be the predominant isoforms and p38β and p38δ are expressed at comparable levels in the adult heart. Confocal immunofluorescence studies revealed p38α and p38γ in both the cytoplasm and nucleus. However, in response to TAC, p38γ accumulated in the nucleus whereas the distribution of p38α remained unaffected. The high abundance of p38γ and its nuclear accumulation during chronic pressure overload suggest that this isoform may play a role in gene expression during pathological cardiac remodeling. In conclusion, we have shown for the first time a pro-fibrotic role for MK5-ERK3 signaling during chronic pressure overload. Moreover, comparable expression levels of p38γ with p38α, and differential localization of p38γ during acute or chronic pressure overload, suggest these isoforms play different roles during cardiac remodeling.

La dégradation protéolytique du collagène de type II est considérée comme étant un facteur majeur dans le processus irréversible de dégradation de la matrice cartilagineuse lors d’ostéoarthrose. Outre les collagénases de la famille des métaloprotéinases de la matrice (MMP-1, -8, -13), la cathepsine K est parmi les seules enzymes susceptibles de dégrader la triple hélice intacte du collagène de type II, devenant ainsi un élément pertinent pour les recherches sur l’ostéoarthrose. L’objectif à court terme de notre étude consiste en l’identification et la caractérisation de sites de clivage spécifiques de la cathepsine K sur le collagène de type II équin. La technique d’électrophorèse SDS-PAGE 1D permet la visualisation des produits de digestion et la validation des résultats de la caractérisation moléculaire des fragments protéolytiques. La caractérisation est réalisée en combinant la digestion trypsique précédant l’analyse HPLC-ESI/MS. Les résultats ont permis d’établir les sites, présents sur la carte peptidique de la molécule de collagène de type II équin, des 48 résidus prolines (P) et 5 résidus lysines (K) supportant une modification post-traductionnelle. De plus, 6 fragments majeurs, différents de ceux produits par les MMPs, sont observés par SDS-PAGE 1D puis confirmés par HPLC-ESI/MS, correspondant aux sites suivants : F1 [G189-K190], F2 [G252-P253], F3 [P326-G327], F4 [P428-G429], F5 [P563-G564] et F6 [P824-G825]. Le fragment F1 nouvellement identifié suggère un site de clivage différent de l’étude antérieure sur le collagène de type II bovin et humain. L’objectif à long terme serait le développement d’anticorps spécifiques au site identifié, permettant de suivre l’activité protéolytique de la cathepsine K par immunohistochimie et ÉLISA, dans le cadre du diagnostic de l’ostéoarthrose. / The proteolytic degradation of type II collagen is believed to be mainly an irreversible event in the process of cartilage matrix degradation in osteoarthritis. Cathepsin K is the most active enzyme protease outside the matrix metalloproteinase (MMP) family (MMP 13, -8, -1) capable of degrading the intact triple helical type II collagen. The short term objective of our study was to characterize the specific cleavage sites of CK on type II collagen. Our long term goal is to develop antibodies specific to these sites to develop biomarkers to detect it’s cleavage, for the early diagnosis of OA. Thus, in order to achieve our first goal, Cathepsin K cleavage of equine type II collagen was first examined by SDS-PAGE electrophoresis. Molecular characterization of proteolytic fragments, and therefore cleavage sites, was performed using tryptic digestion followed by LC-ESI/MS analysis to establish a comprehensive peptide map which was used as a template to identify specific proteolytic cleavage by cathepsin K. Comprehensive peptide mapping provided information on post-translational modifications and permitted the identification of 48 proline (P) and 5 lysine (K) residues that were subject to post translational modification. Six major fragments were observed on 1D SDS-PAGE and confirmed by HPLC-ESI/MS including F1 [189-190], F2 [252-253], F3 [326-327], F4 [428-429], F5 [563-564] and F6 [824-825]. The observed F1 fragment showed that cleavage was three residues N-terminal to the site reported previously for bovine type II collagen. These new findings will be used to develop new analytical methods to quantify biomarkers associate to equine type II collagen degradation in osteoarthritis patient and/or to support the development of new treatments.