La dystrophie myotonique de type I est la pathologie neuromusculaire la plus répandue chez l'adulte. Elle est caractérisée par une atteinte multisystémique plus ou moins prononcée en fonction de l'extension des répétitions CTG, mutation à l'origine de l'atteinte. Le muscle squelettique est particulièrement touché avec un phénomène de myotonie ainsi qu'une atrophie. Les myoblastes, à l'origine de la formation des muscles et de leur régénération potentielle, présentent, chez les patients DM1, une capacité proliférative limitée par rapport à des myoblastes issus d'individus sains. C'est l'activation précoce de la voie p16 qui est à l'origine de cette sénescence prématurée des cellules DM1. Les mécanismes conduisant à ce phénotype sont néanmoins inconnus. Au cours de cette étude, nous avons tenté de décrypter une partie de ces mécanismes et notamment les liens potentiels entre les expansions CTG, la sensibilité au stress oxydatif et l'activation précoce de la voie p16 conduisant à la sénescence des myoblastes DM1

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [55]-72. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une pathologie récessive liée au chromosome X qui résulte d’une mutation sur le gène de la dystrophine aboutissant à l’absence complète de la protéine. Elle correspond à la plus fréquente des dystrophies musculaires et reste aujourd’hui sans traitement curatif. L’UMR a fait la preuve de concept de l’administration systémique d’une population de cellules souches adultes résidentes du muscle, les cellules MuStem canines chez le chien dystrophinopathe, modèle cliniquement pertinent de la DMD. L’objectif de la thèse a consisté à caractériser la population humaine (hMuStem) en terme de phénotype, myogénicité, immunomodulation et de contexte immunologique d’administration in vivo. La population hMuStem se compose de progéniteurs myogéniques précoces d’origine mésenchymateuse-périvasculaire. Elle se définit par une forte capacité proliférative, une oligopotence et une participation à la régénération musculaire après administration dans un muscle lésé. Elles présentent des propriétés immunomodulatrices en interagissant avec l’immunité adaptative et innée par inhibition de la prolifération lymphocytaire et du complément via un ensemble de molécules de surface et/ou de facteurs sécrétés. Enfin, un traitement immunosuppressif restreint à la période d’injection in vivo de la population allogénique s’avère nécessaire mais suffisant pour éviter une réaction immune de l’hôte. L’ensemble de ces résultats aboutit à une meilleure compréhension de l’identité et des modalités d’action de la population MuStem. / Duchenne Muscular Dystrophy is a X-linked recessive disorder that results from mutation in the dystrophin gene leading to a total lack of the protein. It is the most frequent muscular dystrophy with no curative treatment. The lab made a proof of concept of the systemic delivery of a muscle-derived adult stem cell population called MuStem cells in dystrophic dog, the clinically relevant DMD model. The aim of my Ph.D. was to characterize the human population (hMuStem) in terms of phenotype, myogenicity, immunomodulation and immunological context of in vivo delivery. hMuStem cell population is composed of myogenic progenitors with mesenchymal/perivascular imprint. It exhibits a high proliferative capacity, an oligopotency and a participation to muscle regeneration after transplantation into injured muscle. It displays immunomodulatory properties by interacting with adaptive and innate immunity with inhibition of lymphocyte proliferation and complement thanks to expression of surface molecules and/or secreted factors. At last, an immunosuppressive regimen restricted to the allogeneic injection period is necessary but sufficient to avoid host immune response. Collectively, these results allow a better understanding of identity and action modalities of MuStem cell population.

La dystrophie FacioScapuloHumérale (FSHD), décrite pour la première fois en 1885 par Landouzy Dejerine, est la première dystrophie musculaire de l’adulte en France affectant entre 4000 et 5000 personnes. La destruction progressive des fibres musculaires entraîne une atrophie et une faiblesse musculaires s’aggravant progressivement, avec cependant une grande variabilité intra-familiale du degré des atteintes. Une caractéristique de l’atteinte musculaire est généralement son asymétrie. Les premières manifestations concernent souvent les muscles du visage, les muscles de l’omoplate et des muscles perihuméraux. En progressant la pathologie va toucher d’autres territoires musculaires. Dans environ 10 à 15 % des cas, à un stade évolué, les patients sont contraints d'utiliser un fauteuil roulant. En dépit d’avancées majeures dans la compréhension du locus morbide, les mécanismes exacts responsables des défauts musculaires de la FSHD ne sont toujours pas compris et il n’existe aucune thérapie. Toutefois, il existe de plus en plus de données qui permettent une implication probable du stress oxydant dans cette pathologie. L’hypothèse selon laquelle les réponses antioxydantes sont altérées dans la FSHD s’appuie sur des dérégulations d’enzymes impliqués dans le stress oxydant. Une étude prospective réalisée sur des patients FSHD et des volontaires sains nous a ainsi permis de mettre en évidence une corrélation entre le stress oxydant systémique et musculaire et leurs déficits fonctionnels musculaires. Ces données nous ont conduit à la mise en place d’un essai clinique randomisé, contrôlé, en double aveugle contre placébo, visant à évaluer les effets d’une supplémentation en antioxydants chez 54 patients atteints de FSHD pendant 17 semaines. Cet essai a ainsi permis de montrer une augmentation significative de la force et l’endurance des quadriceps corrélée à une diminution du stress oxydant et une augmentation des défenses antioxydantes chez les patients atteints de FSHD. De nombreuses caractéristiques de la FSHD pourraient être causées et/ou exacerbées par des perturbations de la production des espèces radicalaires ou une réponse non adaptée à cette production. Aussi le premier objectif de ma thèse est de mener une étude comparative des profils d’oxygénation par spectroscopie dans le proche infrarouge de patients atteints de FSHD et sains. Le second objectif est d’évaluer l’effet de la supplémentation en antioxydant sur le volume des quadriceps par IRM et leur qualité musculaire déterminée par le ratio Force/Volume musculaire du quadriceps et d’évaluer les corrélations entre ces variables, la force et le stress oxydant. Les données obtenues ont permis de montrer une réduction de la capacité oxydative lors d’une contraction isométrique volontaire des quadriceps et ont permis d’étudier l’effet de la supplémentation sur les volumes et la qualité musculaire des quadriceps. Ces augmentations sont associées non seulement à une augmentation de la force des quadriceps mais aussi à une diminution du stress oxydant et une augmentation des défenses antioxydantes. L’ensemble de ces données montrent que le stress oxydant pourrait jouer un rôle important dans la FSHD et qu’une approche antioxydante semble adaptée à cette pathologie. Des analyses plus fines sur l’action des espèces réactives de l’oxygène (ROS) et leurs sources pourraient contribuer à une meilleure compréhension des bases physiopathologiques de la FSHD. / Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), first described in 1885 by Landouzy Dejerine, is the most common inherited skeletal muscle disease of adult life affecting 4000 to 5000 persons in France. Progressive evolution of the disease leads to progressive weakness and atrophy of muscle fibers associated to a wide variability. The pattern of muscle weakness is often asymmetrical and the rate and extent of progression may vary considerably with sudden periods of unexplained rapid disease progression. This muscle disorder is characterized by progressive muscle weakness, beginning with facial muscles and the shoulder girdle, followed by the pelvic girdle and the muscles of the lower extremities. In 10 to 15% of cases, patients need to use a wheelchair. Despite major progress in the understanding of the genetic basis of FSHD, the exact mechanisms that lead to FSHD defects are not completely understood and no curative treatment is available. However, there is growing evidence that oxidative stress may contribute to FSHD pathology. The hypothesis that oxidative stress responses might be specifically altered in FSHD is supported by the deregulation of enzymes involved in oxidative stress.A prospective study realized with FSHD patients and healthy subjects unrevealed the correlation between systemic and muscular oxidative stress and functional muscle defects. Based on these data, we organized a randomized, double-blind, placebo-controlled pilot clinical trial in order to evaluate the effects of 17 weeks antioxidant supplementation in 54 FSHD patients. This clinical trial demonstrates a significant increase in muscle force and quadriceps endurance correlated to a decrease in oxidative stress and an increase in antioxidant defense in FSHD patientsFurthermore, many FSHD features may be caused or exacerbated by perturbations in the production of free radicals or inappropriate response to such stressors. Therefore the first objective was planned to investigate muscle oxygenation patterns during and after a MVCQ by near-infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS). The second objective is to evaluate the effect of antioxidant supplementation on quadriceps volumes by IRM and determine the muscle quality using Strength/ Volume ratio of quadriceps muscles and correlate this variables with force and oxidative stress parameters.The major findings of this study show a significant decrease in oxidative capacity during voluntary isometric contraction in quadriceps and demonstrate the effect of supplementation on muscle volume and quality. Indeed, vitamin E, vitamin C, zinc and selenium supplementation improves muscle volume and quality of both quadriceps by enhancing the antioxidant defences and reducing oxidative stress.This increase are associated to increase in strength and decrease in oxidative stress and increase in antioxidant defences. Taken together, we show that oxidative stress plays an important role in FSHD and that an anti-oxidant strategy adapted to the FSHD-specific “oxidative stress” may be a relevant therapeutic approach for these patients. Further analyses of ROS production and sources could contribute to a better understanding of the pathophysiological mechanisms implicated in FSHD.

La myostatine, un facteur de croissance de la famille des TGF-β dont la voie de signalisation agit via l'Activine récepteur de type IIB (ActRIIB), a été identifié comme un régulateur négatif important de la croissance du muscle squelettique. Toutefois, son effet sur le métabolisme énergétique musculaire et sur la fonction du muscle reste largement inexploré. Dans mes travaux de thèse, j'ai étudié la conséquence de l'inhibition de la voie de signalisation ActRIIB sur le métabolisme musculaire, et ceci dans deux modèles expérimentaux, i) les souris constitutives knock-out myostatine et ii) après l'administration pharmacologique de l'ActRIIB soluble chez les souris adultes. Nos résultats démontrent que les souris knock-out myostatine développent une forte fatigabilité, une diminution de la respiration mitochondriale et une signature moléculaire qui tend vers un métabolisme glycolytique. Comme ces résultats peuvent s'expliquer par une conversion congénitale vers des fibres musculaires glycolytiques rapides chez ces souris, j'ai étudié l'effet de l'inhibition de la voie de signalisation ActRIIB chez la souris adulte. J'ai fourni des preuves, notamment pour la souris mdx, modèle animal de la myopathie de Duchenne, que l'inhibition de l'ActRIIB, malgré une distribution de typage de fibres qui reste normale, conduit à une intolérance extrême à l'exercice. Cela a été associé à une augmentation pathologique des taux de lactate sérique ainsi que des caractéristiques prononcées de la myopathie. Plus en détail, l'analyse biochimique et moléculaire montre que l'inhibition de la voie de signalisation ActRIIB diminue l'expression de la protéine porine, réduit la capillarisation musculaire et provoque une déficience de la phosphorylation oxydative. Je montre aussi que l’ActRIIB régule les composants clés du métabolisme musculaire, comme PPARß, Pgc1α, et PDK4, optimisant ainsi les différentes composantes du métabolisme énergétique musculaire. En somme, mes résultats démontrent que l’inhibition de l’ActRIIB provoque une myopathie métabolique, en particulier dans le contexte d’un muscle dystrophique, chez lequel un stress métabolique sous-jacent existe déjà. En conclusion, je ne peux pas recommander l'utilisation de l’inhibition de la voie de signalisation de l’ActRIIB comme stratégie thérapeutique pour les maladies musculaires. / Myostatin, a growth factor of the TGF-β family that signals through the activin receptor-IIB (ActRIIB), has been identified as an important negative regulator of skeletal muscle growth. However, its effect on muscle energy metabolism and energy dependent muscle function remains largely unexplored. I here investigated the consequence of impaired ActRIIB signaling for muscle metabolism in two experimental models, i) the constitutive myostatin knockout mice and ii) following pharmacological administration of soluble ActRIIB in adult mice. Our results demonstrate that myostatin knockout mice develop a strong fatigability, a decrease in mitochondrial respiration and a molecular signature towards a glycolytic metabolism. As these findings may be explained by the congenital shift towards fast glycolytic muscle fibers in these mice, I investigated the effect of inhibition of ActRIIB signaling in adult mice. I provide evidence, notably for the mdx mouse, model for Duchenne muscular dystrophy, that ActRIIB blockade, despite an unchanged fiber type distribution, leads to extreme exercise intolerance. This was associated with pathologically increased serum lactate levels and myopathic features. In-depth biochemical and molecular analysis demonstrates that blockade of ActRIIB signaling down-regulates the ATP channel porin, reduces muscle capillarization and leads to a consecutive deficiency in oxidative phosphorylation. I also show that ActRIIB regulates key determinants of muscle metabolism, such as Pparβ, Pgc1α, and Pdk4, thereby optimizing different components of muscle energy metabolism. Taken together, my results demonstrate that ActRIIB blockade provokes a metabolic myopathy, especially in the context of dystrophic muscle, in which an underlying metabolic stress already exists. In conclusion, I cannot recommend the use of ActRIIB signaling blockade as a therapeutic strategy for muscle diseases.

Le diagnostic des maladies génétiques est difficile à émettre. En effet, il est souvent difficile de déterminer comment une mutation va entrainer la pathologie. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de répondre à cette interrogation. Les mutations peuvent entrainer des anomalies à différents niveaux, différentes outils ont ainsi été développées en parallèle afin de pouvoir détecter différents types d'anomalies. Ces outils ont été développés en utilisant comme modèle une maladie génétique appartenant à la famille des myopathies, entrainant une dégénérescence des muscles des patients. Les travaux de cette thèse ont permis de confirmer le caractère délétère de certaines mutations en démontrant des anomalies dans un mécanisme appelé « épissage » qui permet la transmission de l'information contenue dans le génome. Les mutations en empêchant cette transmission vont ainsi être responsables de la maladie. / Diagnosis of genetic diseases is a difficult task. Indeed, it is often difficult to determine if mutations detected in patients will be responsible of the disease. The aim of this thesis is to develop tools allowing answering on this question. Mutations can have deleterious effects to several levels, thus different tools have been develop in parallel in order to detect different kind of abnormalities. These tools have been developed using as model a genetic disease belonging to the family of myopathy, leading to a degeneration of patients muscles. These thesis works have confirmed the deleterious effect on some mutations in a mechanism named "splicing" which allow transmission of the genome's information. Mutations preventing the transmission will thus be responsible of the disease.

L'intérêt de l’utilisation des vecteurs viraux comme le Adeno-Associated Virus recombinant (rAAV) dans la recherche pour le traitement des maladies génétiques a conduit à une évolution rapide des méthodes de production d'AAV au cours des deux dernières décennies (Ayuso et al., 2010). Leur large biodisponibilité in vivo et leur efficacité à long terme dans les tissus postmitotiques en font de bons candidats pour de nombreuses applications de transfert de gènes. En plus, la spécificité du traitement peut être augmentée lorsque le sérotype correct est choisi pour cibler un tissu spécifique. Parmi les méthodes de production actuellement utilisées, la tri-transfection de cellules embryonnaires humaines rénales 293 (HEK293) reste la plus populaire pour l'échelle de recherche; Et la production de rAAV médiée par des baculovirus pour des échelles plus importantes. L'importance croissante des vecteurs viraux dans l'application pratique de la thérapie génique exige l'amélioration des processus de production, en particulier en ce qui concerne les rendements et la pureté du produit final. Mon travail au cours de ces quatre années a été axé sur deux points principaux: (1) améliorer les processus biotechnologiques employés dans la production de rAAV pour la recherche et les échelles d'étude préclinique et (2) tester in vitro et in vivo les applications pour le rAAV dans le l’édition de genome. L'édition de gènes médiée par des nucléases spécialement conçues offre de nouveaux espoirs pour le traitement de plusieurs maladies héréditaires monogéniques. Récemment découvert, le système CRISPR Cas9 (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) fournit des outils importants nécessaires pour corriger les mutations par homologie. Notre modèle canonique est la souris mdx, un modèle animal naturel de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). Les mutations DMD, qui conduisent à l'absence de protéine dystrophine, entraînent une myopathie progressive et fatale. Plusieurs stratégies, allant des stratégies pharmacologiques aux stratégies de saut-d’éxon, ont tenté de renverser le phénotype et ralentisser la progression de la maladie, mais les résultats ne sont pas encore satisfaisants. Ce nouvel et puissant outil d'édition de génome peut être vectorisé par rAAV. Les résultats de la première partie ont été publiés en 2015 et 2016 et seront présentés sous la forme d'articles et pour la deuxième partie, je présenterai les résultats préliminaires et les perspectives du travail qui se poursuivra dans le laboratoire. / The interest of recombinant Adeno-Associated Virus (rAAV) vectors for research and clinical purposes in the treatment of genetic diseases have led to the rapid evolution of methods for AAV production in the last two decades (Ayuso et al., 2010). Their broad in vivo biodistribution and long-term efficacy in postmitotic tissues make them good candidates for numerous gene transfer applications. In addition, the specificity of the treatment can be increased when the right serotype is chosen to target a specific tissue. Among the production methods currently in use, tri-transfection of human embryonic kidney 293 (HEK293) cells remains the most popular for research scale; and rAAV production mediated by baculoviruses for larger scales. The increasing importance of viral vectors in the practical application of gene therapy demands the improvement of production processes, especially when it concerns the yields and purity of the final product. My work during these four years was focused in two main points: (1) improve biotechnological processes employed in rAAV production for research and pre-clinical study scales and (2) test in vitro and in vivo the applications for rAAV in the field of genome editing. Gene-editing mediated by engineered nucleases offers new hopes for the treatment of several monogenic inherited diseases. Recently discovered, the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas9 system provides important tools needed to correct by homology-directed repair mutations. Our canonical model is the mdx mouse, a naturally occurring animal model of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). DMD mutations, which lead to the absence of the protein dystrophin, results in a progressive and fatal myopathy. Several strategies, from pharmacological to exon-skipping strategies, have attempt to revert the phenotype and slow down the disease progress, however results are not yet satisfactory. This new and powerful genome editing tool can be vectorized by rAAV. Results for the first part were published in 2015 and 2016 and will be presented in the form of articles and for the second part I will present preliminary results and perspectives for the work that will be continued in the lab.

Contexte : La dystrophie endothéliale cornéenne de Fuchs (DECF) est une pathologie de l'endothélium cornéen (EC), la couche interne de la cornée. La protéine SLC4A11 est connue pour être mutée dans certaines formes de la DECF et la troisième boucle extracellulaire (EL3) de cette protéine est connue pour être en mesure de se lier à certaines protéines de la membrane basale de l'EC, la membrane de Descemet. Objectif : L'objectif de ce projet est d'analyser le rôle des intégrines et d'EL3 dans l'adhésion des cellules endothéliales cornéennes (CECs) à la membrane de Descemet. Méthode : Des CECs ont été mises en culture à partir de cornées natives. Leur profil d'expression d'intégrines a été étudié en exploitant la technique d'immunofluorescence indirecte. Des essais d'adhésion en présence d'anticorps anti-intégrines (a1 et a2b1; a3 et b1) ou d'un peptide bloquant (RGD) ont été réalisés sur des membranes de Descemet dévitalisées avec des CECs. Puisque l'expression de SLC4A11 est perdue en culture, les CECs ont dû être transfectées avec un plasmide d'EL3 avant les essais d'adhésion. L'efficacité de transfection a été déterminée par immunofluorescence. Des tests d'adhésions sur membrane de Descemet dévitalisées ont ensuite été réalisés avec les CECs. Résultats : Les CECs en culture primaire expriment les sous-unités d'intégrines a1, a2, a3, av, b1 et b5. L'utilisation d'anticorps spécifiques aux sous-unités d'intégrines a3 et b1 a résulté en une diminution de 58% de l'adhésion tandis que les essais avec a1 et a2b1 ainsi que le peptide RGD n'ont pas diminué leur adhésion à la membrane de Descemet. La transfection d'EL3 a permis son expression membranaire chez les CECs. La surexpression d'EL3 n'a pas augmenté l'adhésion des CECs à la membrane de Descemet. Conclusion : Les résultats suggèrent que les intégrines a3 et b1 sont importantes pour l'adhésion des CECs en culture primaire. En présence des intégrines, la boucle EL3 ne semble pas avoir un rôle majeur à jouer dans l'adhésion des CECs à la membrane de Descemet. Ces résultats remettent en question l'impact de mutations de la protéine SLC4A11 dans la perte d'adhésion des CECs à la membrane de Descemet. / Context: Fuchs endothelial corneal dystrophy is a corneal endothelium (CE) pathology, which can be caused by mutations of SLC4A11 proteins. The third extracellular loop (EL3) of SLC4A11 is already known to bind proteins present in the Descemet membrane (DM), which is the basal membrane of the CE. Objective: This project aims to analyze the role of integrins and EL3 in the adhesion of corneal endothelial cells (CECs) to the DM. Method: CECs were isolated from native corneas and cultured in vitro. Their integrin expression profile was determined using immunofluorescence staining. Adhesion assays using anti-integrin antibodies (a1 and a2b1; a3 and b1) or a blocking peptide (RGD) were done on decellularized DMs with CECs. Because of the loss of SLC4A11 expression in culture, EL3 was transfected in CECs before conducting adhesion assays. Efficiency of transfection was checked using immunostaining. Adhesion assays were done using transfected cells. Results: CECs in culture expressed the integrin subunits a1, a2, a3, av, b1 and b5. Blocking the adhesion of a3 and b1 subunits decreased adhesion of CECs by 58%. Blocking a1 subunits and a2b1integrin with antibodies or the RGD sequence did not change CEC adhesion to the DM. Transfection of EL3 increased its expression at the cell membrane. However, it did not change the adhesion of CECs to DM. Conclusion: Our results suggest that integrin subunits a3 and b1 are important for adhesion of CECs to the DM. In the presence of integrins, EL3 does not seem to play a major role in CECs adhesion to the DM. These results question the impact of mutations in the SLC4A11 protein in the loss of adhesion of CECs to the DM.

Le stress oxydatif peut provenir de sources exogènes comme les UVA ou de sources endogènes comme la chaîne respiratoire (OXPHOS). L'oxydation des composants cellulaires a été associée avec la dégénération, des phénotypes de vieillissement et des pertes de fonctionnalités des tissus. Les UVA sont les plus efficaces des rayons UV à induire de l’oxydation, tel que démontré par la formation de dommages oxydatifs à l'ADN et par l'apparition de délétions mitochondriales qui en résultent. La délétion mitochondriale de 4977 pb (ADNmtCD4977), la plus commune, et celle de 3895 pb (ADNmt3895) sont deux délétions reliées au photovieillissement cutané et à l'exposition au stress oxydant. Le phénomène de vieillissement dans la peau est bien documenté et se traduit par une dégradation de la matrice extracellulaire, une perte d'élasticité et la formation de rides. Toutefois, peu d'études portent sur la cornée humaine alors qu'elle est un tissu exposé directement aux rayonnements UV au même titre que la peau. Nous avons donc tenté mieux comprendre l'effet de l'oxydation exogène et endogène sur cette structure. L'analyse de la localisation des délétions ADNmtCD4977 et ADNmtCD4977 dans l'oeil humain a permis de révéler qu'elles se concentrent principalement dans le stroma cornéen et s'accumule avec l'âge. Le stroma cornéen est la couche cellulaire qui confère la transparence et la rigidité à la cornée humaine. Ces résultats nous ont suggéré une implication des UVA dans le photovieillissement de la cornée. Nous avons donc entrepris de vérifier les changements liés à l'exposition aux UVA dans le stroma cornéen puisque les UVA sont connus pour causer des altérations à la matrice extracellulaire (ECM) au niveau cutané. Nous avons donc créé un modèle de photovieillisement par une exposition chronique aux UVA sur des kératocytes avec lesquels nous avons fait sécréter une ECM. Nos résultats nous ont démontré qu'une exposition chronique aux UVA cause des altérations à l'ECM cornéen semblable à des phénotypes de photvieillissement. En effet, nous avons dénoté des changements transcriptomiques et protéomiques pour certains collagènes et protéoglycans. Une atteinte aux collagènes par le vieillissement cornéen se traduit entre autres par une rigidification, une opacification et un changement dans son pouvoir réfractif qui mène à une perte de la vision. Par ailleurs, notre avons également investigué l'implication du stress oxydatif dans la dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD), une maladie dégénérative de l'endothélium cornéen, qui mène à une perte de vision et est une cause principale de greffe cornéenne. L'étiologie de la maladie est encore inconnue, mais le stress oxydatif est soupçonné de jouer un rôle important dans la pathogenèse. Nos résultats ont amené de nouvelles évidences de l'implication de l'oxydation dans la maladie par l'augmentation de la quantité d'ADN mitochondrial et un raccourcissement des télomères dans des explants de cornées pathologiques. Nos résultats nous ont également démontré que la mise en culture de cellules FECD permettait la sélection de cellules fonctionnelles et comparables à des cellules saines en termes de quantité d'ADN mitochondrial et de son intégrité, de sensibilité à l'oxydation et de longueur télomérique. Les résultats obtenus soutiennent ainsi la possibilité d'employer les cellules FECD fonctionnelles sélectionnées pour utilisation en génie tissulaire afin de créer des cornées autologues pour pallier aux manques de greffes cornéennes. Enfin, nos résultats apportent de nouvelles évidences quant à l'implication du stress oxydatif dans le photovieillissement cornéen et dans l'étiologie de la FECD. / Oxidative stress can arise from exogenous sources like UVA or endogenous source like the respiratory chain (OXPHOS). Oxidation of cellular components is associated with degenerative disease, aging phenotypes and loss of tissue functions. UVA is the most efficient components of UV light to induce oxidation, like it have been shown by the formation of oxidative damage on DNA and the appearance of resulting mitochondrial deletions. The mitochondrial deletion of 4977 bp (mtDNACD4977), the most common, and the 3895 bp (mtDNA3895) are both connected to skin photoaging and exposition to oxidative stress. Skin photoaging is well documented and is portrayed by a degradation of the extracellular matrix, a loss of elasticity and formation of wrinkles. However, few studies have been done on the human cornea even if this structure is directly exposed to UV light like the skin. Thus, we have tried to understand the effect of exogenous and endogenous oxidative stress on this eye structure. Analysis of mtDNACD4977 and mtDNA3895 in the human eye has shown that these deletions are localized in the corneal stroma and accumulate with age. The corneal stroma is the cellular layer conferring transparency and rigidity to the human cornea. Our results have suggested that UVA is implicated in the photoaging of the cornea. Thus, we checked for changes linked to UVA exposure in the corneal stroma since UVA are known to cause alteration to the extracellular matrix (ECM). Thereby, we created a photoaging model by exposing keratocytes to chronic UVA doses and then making them secrete an ECM. Our results have shown that chronic UVA exposure causes changes similar to photoaging phenotypes. We noted changes in the transcriptomic and proteomic expression of collagen and proteoglycans. Alteration to collagens composition by aging leads to corneal rigidity, cloudening and a loss of refractive power of the cornea, which can result in a loss of vision. On the other hand, we also investigated the implication of oxidative stress in the Fuch’s Endothelial Corneal Dystrophy, a degenerative disease of the corneal endothelium, which leads to a vision loss and is the leading cause of corneal transplantation. The etiology of the disease is not well known, but oxidative stress is suspected of playing an important role in the pathogenesis. Our results have shown new evidences of oxidative stress in the pathology by displaying an increase in mitochondrial DNA and a telomeric shortening in cells from corneal explants. Our results have also shown that using cell culture on FECD cells can allow the selection of functional cells that can compare to healthy cells terms of mitochondrial amount and integrity, sensitivity to oxidation and telomere length. Our results support the fact that functional FECD cells could be used to create autologous cornea by tissue engineering to solve the lack of corneal graft. Thus, our findings bring new evidences to the implication of oxidative stress in corneal photoaging and in the etiology of FECD.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 janvier 2024) / La dystrophie endothéliale cornéenne de Fuchs (FECD) est une pathologie qui touche la couche postérieure de la cornée, l'endothélium cornéen. Ce dernier fait office de barrière physique entre l'humeur aqueuse et le reste de la cornée. De ce fait, lorsqu'il est défectueux, une accumulation de l'humeur aqueuse dans le stroma entraîne l'apparition d'un œdème stromal et de bulles épithéliales. Il s'en suit une opacification cornéenne menant à une perte de vision irréversible. Cliniquement, la pathologie est associée à l'épaississement de la membrane de Descemet (DM) dû à un dépôt accru de matrice extracellulaire (MEC), entraînant la formation d'excroissances, appelées guttae. Puis, une perte de densité des cellules endothéliales cornéennes (CECs) se produit contribuant aux difficultés de maintenir la déturgescence du stroma. En Amérique du Nord, la FECD est la principale cause de transplantation de cornées qui représente son seul traitement. De nouveaux traitements sont à l'étude mais nécessitent une bonne compréhension de la maladie et des dérégulations de l'endothélium cornéen. La FECD étant une pathologie multifactorielle, son étiologie reste difficile à déterminer. La recherche a mené à la proposition de différentes hypothèses d'explications au développement de la maladie. Parmi elles, la transition endothélio-mésenchymateuse ou épithélio-mésenchymateuse (TEM). Ce processus cellulaire consiste au passage d'un phénotype endothélial ou épithélial vers un phénotype mésenchymateux. Malgré quelques mises en évidence de la TEM dans la FECD, des signes clés de cette transition manquent dans la maladie, tels que le passage à une morphologie fibroblastique et un changement de cadhérines. C'est pourquoi notre laboratoire a décidé de clarifier la présence de la TEM dans la FECD. L'objectif de ce projet est de comprendre comment la TEM est activée dans la FECD et son impact sur les CECs. De ce fait, notre laboratoire a étudié la TEM à un niveau intracellulaire et extracellulaire en utilisant aussi bien des CECs primaires que des modèles tissulaires. Notre attention s'est d'abord portée sur l'étude des protéines impliquées dans les voies TGF-β/Smad et Wnt/β-caténine (connues pour activer la TEM) dans les CECs *ex vivo* et *in vitro*. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressées au dépôt anormal de MEC, un des signes d'une TEM. En effet, nous avons proposé que les protéines matricielles anormalement déposées seraient impliquées dans la perte cellulaire endothéliale dans la FECD. Nous avons donc étudié l'expression de protéines matricielles dans les stades précoces et avancés de la FECD et leur influence sur l'adhésion et la migration des CECs en culture. Pour répondre au premier objectif, des données transcriptomiques et l'expression des protéines liées à la TEM ont été étudiées *ex vivo*. Les protéines d'intérêt ont également été étudiées *in vitro* avec ou sans irradiation chronique d'UVA. Nos travaux en *ex vivo* FECD ont révélé l'absence de l'activité des voies Wnt/β-caténine et TGF-β/Smad. *In vitro*, ces deux voies de signalisations étaient actives et une augmentation de TGF-β2 a également été observée. Néanmoins, l'exposition aux UVA n'a pas modifié le profil d'expression des protéines. Pour le deuxième objectif, les données transcriptomiques du matrisome de CECs *ex vivo* et *in vitro* ont été analysées. Nous avons ensuite étudié la morphométrie des guttae en *ex vivo* et l'expression de nos protéines d'intérêt en *ex vivo* et sur les endothélia cornéens reconstruits sains et pathologiques. Des tests d'adhésion et de migration ont ensuite été réalisés. Les gènes *SPP1* (Ostéopontine), *FN1* (Fibronectine) et *TNC* (Ténascine-C) étaient régulés à la hausse en *ex vivo* et SPP1 était régulé à la hausse aussi bien *ex vivo* qu'*in vitro*. La fibronectine (FN), ténascine-C (TN-C), ostéopontine (OPN) et le collagène de type XIV (COL XIV) étaient exprimés dans les DM FECD mais seules la TN-C et la FN se retrouvaient dans les endothélia reconstruits FECD. La FN et la TN-C n'ont pas modifié l'adhésion des CECs mais l'OPN l'a diminuée. La FN et la combinaison de FN et TN-C ont augmenté significativement la migration des CECs. Les travaux de cette thèse permettent d'apporter plus de connaissances sur l'activation de la TEM dans la FECD et mettent en évidence une chronologie du dépôt de MEC anormale dans la pathologie ainsi que la façon dont les CECs y réagissent. Une meilleure compréhension du développement de la FECD pourrait apporter des clés pour la conception de nouveaux traitements. / Fuchs corneal endothelial dystrophy (FECD) is a pathology that affects the posterior layer of the cornea, the corneal endothelium. The endothelium acts as a physical barrier between the aqueous humor and the rest of the cornea, so when it is defective, an accumulation of aqueous humor in the stroma leads to stromal edema and epithelial bullae. This leads to corneal opacification and irreversible vision loss. Clinically, the pathology is associated with thickening of Descemet's membrane (DM) due to an increase of extracellular matrix (ECM), leading to the formation of outgrowths known as guttae. This is followed by a loss of corneal endothelial cell (CEC) density, making it difficult to maintain stromal deturgescence. In North America, FECD is the leading cause of corneal transplantation, which is its only treatment. New treatments are under study but require a good understanding of the disease and corneal endothelium dysregulation. As FECD is a multifactorial pathology, its etiology remains difficult to determine. Research has led to the proposal of various hypothesis to explain the development of the disease. One of these is endothelial to mesenchymal or epithelial to mesenchymal transition (EMT). This cellular process is characterized by the transition from an endothelial or epithelial phenotype to a mesenchymal one. Despite some evidence of EMT in FECD, key signs of this transition are missing in the disease, such as the transition to a fibroblastic morphology or the cadherins switch. Therefore, our laboratory decided to clarify the presence of EMT in FECD. The aim of this project is to understand how EMT is activated in FECD and its impact on CECs. Accordingly, our laboratory has studied EMT at both intracellular and extracellular levels, using both primary CECs and tissue models. Our first focus was on the study of proteins involved in the TGF-β/Smad and Wnt/β-catenin pathways (known to activate EMT) in *ex vivo* and *in vitro* CECs. In a second step, we focused on abnormal ECM deposition, one of the key signs of EMT. Indeed, we proposed that abnormally deposited matrix proteins would be involved in endothelial cell loss in FECD. We therefore studied the expression of matrix proteins in the early and late stages of FECD and their influence on the adhesion and migration of cultured CECs. To address the first objective, transcriptomic data and the expression of EMT-related proteins were studied *ex vivo*. Proteins of interest were also studied *in vitro* with or without chronic UVA irradiation. Our *ex vivo* FECD work revealed the absence of Wnt/β-catenin and TGF-β/Smad pathway activity. *In vitro*, both signaling pathways were active, and an increase in TGF-β2 was also observed. Nevertheless, UVA exposure did not alter the protein expression profile. For the second objective, transcriptomic data from the *ex vivo* and *in vitro* matrisome were analyzed. We then studied guttae morphometry in *ex vivo* specimens and the expression of our proteins of interest in *ex vivo* specimens and on healthy and pathological tissue engineered corneal endothelia. Adhesion and migration assays were then performed. *SPP1* (Osteopontin), *FN1* (Fibronectin) and *TNC* (Tenascin-C) genes were up-regulated *ex vivo*, and *SPP1* was up-regulated both *ex vivo* and *in vitro*. Fibronectin (FN), tenascin-C (TN-C), osteopontin (OPN) and collagen type XIV (COL XIV) were expressed in FECD DMs, but only TN-C and FN were found in reconstructed FECD endothelia. FN and TN-C had no impact on CEC adhesion, but OPN did. FN and the combination of FN and TN-C significantly increased CEC migration. The studies of this thesis provide further insight into the activation of EMT in FECD, highlight the chronological abnormal ECM deposition in the pathology and how CECs respond to it. A better understanding of the FECD development could bring keys to design new treatments.