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

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

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives. / The autosomal nephrogenic diabetes insipidus (NDI) is caused by mutations of the gene coding for the water channel aquaporine-2 (AQP2). An oftenly used model for the study of membrane proteins such as AQP2 is the heterogenous expression in Xenopus laevis oocytes. Unfortunately, the existing techniques of plasma membranes purification are either too long, too difficult or require too much material, which does not allow adequate analysis of targeting of the native and mutants forms, which is crucial for this type of study. We developed a fast and effective plasma membrane purification technique which combines partial digestion of the vitellin membrane, its polymerization with the plasma membrane followed by a serie of low speed centrifugations to collect the purified membranes. We used this technique to study of two new family cases of heterozygote patients carrying the V24A and R187C mutations in a case and K228E and R187C in the second case. For each mutation, we analyzed the functionality and the parameters of expression of the mutant proteins. The membrane permeability experiments show that the oocytes expressing AQP2- V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) and AQP2-K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) have similar activities to the oocytes expressing the native form (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), while AQP2-R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) doesn’t seem to have any activity like the un-injected oocytes (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). The coexpression studies showed an additive effect when AQP2-V24A and -K228E are injected with the native form and an effect being associated with negative dominance when AQP2-R187C was injected with AQP2-V24A, -K228E and the native form. Western blot results confirmed what was observed in the functionality studies. However, when the mutations were expressed in mIMCD-3 cells, there was a slight expression of the K228E mutation to the plasma membrane and a total absence of the mutations –V24A and R187C at the plasma membrane. The results of our studies showed that depending on the expression system the mutations –K228E and -V24A can be used in targeting studies using chemical chaperones.

Le contrôle de la transcription constitue le principal niveau de la régulation de l'expression des gènes dans les cellules eucaryotes. Le laboratoire a identifié 6 familles indépendantes avec un diabète insipide néphrogénique (DIN) lié à l'X portant de grandes délétions en amont du gène de l'AVPR2. Dans chacune de ces familles, les gènes AVPR2 et AQP2 sont intacts et les hommes sont atteints de DIN lié à l'X dans sa forme rénale « classique ». Le séquençage et l'analyse de 61 kilobases en amont et en aval de l'AVPR2 ont permis l'identification de 6 zones délétées chez 6 familles indépendantes, dont 5 zones de taille supérieure à 7 kilo bases, et une zone, de 102 paires de bases, commune à l'ensemble des délétions. Chez le patient porteur de cette délétion, les récepteurs V2 ne sont pas exprimés dans le tubule collecteur mais le sont au niveau des cellules endothéliales. Notre travail est de tenter de comprendre les mécanismes régulateurs du locus de l'AVPR2, et d'étudier l'expression « tissu spécifique » de ce gène. Les études réalisées dans le système Hprt, confirment le rôle activateur de la séquence de 102 pb. Les expériences in vitro indiquent que cet effet dépende du contexte extracellulaire, de la nature des cellules, ainsi que du promoteur de l'AVPR2. Les protéines liant potentiellement l'une des extrémités de la délétion a révélé la présence, soit de protéines régulatrices, soit de séquences inconnues, toutes exprimées dans le rein. À terme, ces études, ainsi que celles en découlant, permettront de positionner l'AVPR2 comme une cible de choix dans le traitement des diabètes insipides, centraux et néphrogéniques, par thérapie génique.

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives. / The autosomal nephrogenic diabetes insipidus (NDI) is caused by mutations of the gene coding for the water channel aquaporine-2 (AQP2). An oftenly used model for the study of membrane proteins such as AQP2 is the heterogenous expression in Xenopus laevis oocytes. Unfortunately, the existing techniques of plasma membranes purification are either too long, too difficult or require too much material, which does not allow adequate analysis of targeting of the native and mutants forms, which is crucial for this type of study. We developed a fast and effective plasma membrane purification technique which combines partial digestion of the vitellin membrane, its polymerization with the plasma membrane followed by a serie of low speed centrifugations to collect the purified membranes. We used this technique to study of two new family cases of heterozygote patients carrying the V24A and R187C mutations in a case and K228E and R187C in the second case. For each mutation, we analyzed the functionality and the parameters of expression of the mutant proteins. The membrane permeability experiments show that the oocytes expressing AQP2- V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) and AQP2-K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) have similar activities to the oocytes expressing the native form (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), while AQP2-R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) doesn’t seem to have any activity like the un-injected oocytes (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). The coexpression studies showed an additive effect when AQP2-V24A and -K228E are injected with the native form and an effect being associated with negative dominance when AQP2-R187C was injected with AQP2-V24A, -K228E and the native form. Western blot results confirmed what was observed in the functionality studies. However, when the mutations were expressed in mIMCD-3 cells, there was a slight expression of the K228E mutation to the plasma membrane and a total absence of the mutations –V24A and R187C at the plasma membrane. The results of our studies showed that depending on the expression system the mutations –K228E and -V24A can be used in targeting studies using chemical chaperones.

L’aquaporine-2 (AQP2) est le canal responsable de la réabsorption finale d’eau au niveau du tubule collecteur du rein. À la base, contenue dans des vésicules internes, l’AQP2 est acheminée à la membrane apicale des cellules principales du tubule collecteur suite à une stimulation par l’hormone antidiurétique (ADH). L’incapacité à accomplir cette fonction entraîne le diabète insipide néphrogénique (DIN), une maladie caractérisée par l’inhabileté du rein à concentrer l’urine, entraînant une production de volumes urinaires élevés. Alors que les mutations récessives génèrent des protéines mal structurées et incapables de former des tétramères, les mutations dominantes sont capables de s’associer à leurs homologues sauvages, engendrant ainsi un DIN même chez les patients hétérozygotes. Ce mémoire présente l’analyse biochimique et fonctionnelle d’une nouvelle mutation naturelle de l’AQP2, la mutation T179N, aussi responsable du DIN. Cette dernière est particulièrement intéressante de par son génotype qui implique un caractère dominant, et sa position extracellulaire habituellement réservée aux mutations récessives. Les études comparatives de T179N à deux modèles de mutation récessive et dominante démontrent, tant en ovocytes de Xenopus laevis qu’en lignée cellulaire mpkCCDc14, le caractère récessif de cette nouvelle mutation. Les tests d’immunobuvardage de lysats d’ovocytes en membranes totales et membranes plasmiques purifiées ont révélé que seule la forme sauvage atteint la membrane plasmique alors que le mutant T179N est séquestré dans la cellule. En accord avec ce résultat, les analyses de perméabilité fonctionnelle démontrent aussi une absence d’activité pour T179N. En cellule mpkCCDc14, le mutant T179N exprimé seul n’atteint pas la membrane plasmique suite à l’action de la forskoline, contrairement à la forme sauvage. Cependant, ce mutant peut s’associer à son homologue sauvage en coexpression tant dans les ovocytes qu’en lignée mpkCCDc14 sans toutefois engendrer l’effet typique de dominance négative. En fait, dans ce contexte de coexpression, on remarque une augmentation de la Pf de 83±7 % et une récupération d’adressage à la membrane plasmique en cellule (immunofluorescence). En conclusion, T179N serait un mutant récessif fonctionnellement récupérable lorsqu’en présence de l’AQP2 sauvage. / Aquaporin-2 (AQP2) is the channel responsible for the final reabsorption of water in the collecting duct of the kidney. Basically, contained in internal vesicles, the AQP2 is delivered to the apical membrane of the principal cells of the collecting tubule after stimulation by the antidiuretic hormone (ADH). The failure to perform this function causes nephrogenic diabetes insipidus (NDI); a disease characterized by the inability of the kidney to concentrate urine and induces the production of high urinary volumes. While recessive mutations generate poorly structured proteins unable to form tetramers, dominant mutations are capable of associating with their wild counterparts, thus generating a NDI even in heterozygous patients. This paper presents the biochemical and functional analysis of T179N, a new NDI-causing mutation of the human AQP2. The mutant is particularly interesting because of its dominant genotype, despite its extracellular position usually restricted to recessive mutations. Here, we compare T179N against archetypal recessive and dominant mutations using both Xenopus laevis oocytes and in mpkCCDc14 cell model, and show the recessive nature of the mutation. The immunoblot tests on oocytes lysates in purified total and plasma membranes revealed that only the wild type protein reaches the plasma membrane while the T179N mutant is sequestered within cellular stores. Accordingly, functional analyzes indicate that T179N is inactive. In mpkCCDc14 cells, T179N expressed alone does not reach the plasma membrane in response to forskolin stimulation, unlike the wild-type. However, T179N does show the capacity to associate with its wild-type counterpart in both oocytes and in mpkCCDc14 cells, although without displaying the typical dominant negative effect. In fact, when coexpressed along wild-type, T179N gains back the functionality, with a Pf increase of 83±7 % and adequate plasma membrane targeting in cells (immunofluorescence). In conclusion, the mutant T179N is a mild recessive mutation that is susceptible to functional recovery when in presence of wild type AQP2.

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

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, France / Le contrôle de la transcription constitue le principal niveau de la régulation de l’expression des gènes dans les cellules eucaryotes. Dans le génome de ces derniers, les éléments régulateurs peuvent être localisés à de très grandes distances du gène qu’ils régulent. Le laboratoire a identifié 6 familles indépendantes avec un diabète insipide néphrogénique (DIN) lié à l’X portant de grandes délétions en amont du gène de l’AVPR2. Dans chacune de ces familles, les gènes AVPR2 et AQP2 ont été retrouvés intacts et les hommes sont atteints de DIN lié à l’X dans sa forme rénale « classique ». Le séquençage et l’analyse de 30 et 31 kilobases en amont et en aval de l’AVPR2 ont permis l’identification de 6 zones délétées chez 6 familles indépendantes, dont 5 zones de taille supérieure à 7 kilo bases, et une zone, de 102 paires de bases, commune à l’ensemble des délétions. Chez le patient porteur de cette délétion, l’osmolalité urinaire ne répond pas au dDAVP. Contrairement à ce qui est observé chez les patients atteints de DIN avec mutations de l’AVPR2, celui-ci présente des réponses hémodynamiques et de coagulation, normales. Ceci indique que les récepteurs V2 ne sont pas exprimés dans le tubule collecteur mais le sont au niveau des cellules endothéliales. Le but de notre travail est donc de tenter de comprendre les mécanismes régulateurs du locus de l’AVPR2, et plus précisément d’étudier l’expression « tissu spécifique » de ce gène. Les études réalisées in vivo, dans le système Hprt, confirment le rôle activateur de la séquence de 102 pb : coloration intense des tubules collecteurs avec la construction comportant la zone délétée et absence avec la construction ne la contenant pas. Cependant, les expériences menées in vitro semblent indiquer que cet effet dépende du contexte extracellulaire, isotonique ou hypertonique, de la nature des cellules, du tubule proximal ou collecteur, ainsi que du promoteur de l’AVPR2. L’identification des protéines liant potentiellement l’une des extrémités de la délétion a révélé la présence, soit de protéines régulatrices, soit de séquences inconnues, toutes exprimées dans le rein. À terme, ces études, ainsi que celles en découlant, permettront de positioner l’AVPR2 comme une cible de choix dans le traitement des diabètes insipides, centraux et néphrogéniques, par thérapie génique. / Transcriptional control is the primary means of regulating genes expression in eukaryotes cells. In the genome of the latter, regulatory elements can be localised with very long distance from the gene which they control. The laboratory identified six independent families with X-linked nephrogenic diabete insipidus (NDI) bearing large deletions upstream of the AVPR2 gene leaving intact AVPR2 and AQP2 coding sequences. Males bearing these deletions have classical renal X-linked NDI. The sequencing and analysis of 30 and 31 kilo bases upstream and downstream, respectively, encompassing the AVPR2 gene had led to identify 6 deletions in 6 ancestrally independent families including, 5 larger than 7 kilo bases and one of 102 base paires shared by the other deletions. In male patient bearing the 102 bp upstream deletion, urinary osmolality was unresponsive to dDAVP but, unlike patients with mutations in the coding sequence, their coagulation and hemodynamic responses to dDAVP were normal. This suggests that V2 receptors are not expressed in renal collecting duct cells but normally expressed in endothelial cells. Our goal is thus to understand the regulatory mechanism controlling the AVPR2 locus and more precisely the tissu specific expression of this gene.. The studies carried out in vivo, in the Hprt system, confirm the enhancer role of the sequence of 102 bp: intense coloration of the collecting tubules with construction comprising the deleted zone and abscence with construction not containing it. However, in vitro undertaken experiments seem to indicate that this effect depends on the extracellular context, isotonic or hypertonic, of the nature of the cells, of the tubule proximal or collecting duct, as well as promoter of the AVPR2. The identification of proteins potentially binding one of the ends of the deletion revealed the presence, either of regulating proteins, or of unknown sequences, all expressed in the kidney. In the long term, these studies, like those while rising, will make it possible to position the AVPR2 gene like a target of choice in the treatment of the diabetes insipidus, central and nephrogenic, by genic therapy.