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

La myopathie myotubulaire (XLMTM, OMIM 310400) est causée par des mutations dans le gêne MTM1 situé sur le chromosome X et apparaît à une fréquence de 1/50 000 naissances mâles. Les patients présentent une hypotonie et une faiblesse musculaire généralisées et de graves problèmes respiratoires à la naissance. En absence de traitement, les patients sont nombreux à décéder durant la première année de vie. Mon travail de thèse consiste à développer un traitement de thérapie génique pour la myopathie myotubulaire. L'injection intraveineuse du vecteur thérapeutique rAAV9-DES-Mtm1 chez le modèle murin de la myopathie myotubulaire permet d'obtenir de la protéine transgénique dans l'ensemble des muscles squelettiques de l'organisme. Un an après le traitement, les muscles malades retrouvent une morphologie normale et les souris sont en vie. La seconde partie porte sur l'évaluation des effets de la protéine MTMR2, un homologue de la myotubularine (MTM1), sur le muscle déficient en myotubularine, comme alternative à la thérapie génique avec MTM1. L'administration d'un vecteur AAV comportant le transgène MTMR2 dans le muscle malade améliore, partiellement, le phénotype musculaire. Ces résultats suggèrent que l'augmentation du niveau d'expression de MTMR2 dans le muscle malade pourrait être un traitement efficace. Enfin j'ai étudié le rôle de l'activité phosphatase de la myotubularine dans son action thérapeutique. J'ai comparé l'effet d'une forme inactive de myotubularine (MTMIC375S) à celui du transgène thérapeutique sur le muscle atteint de myopathie myotubulaire. Les résultats montrent que l'activité phosphatase de la myotubularine est nécessaire pour son activité thérapeutique.

La mélatonine est connue pour agir directement sur l'horloge circadienne. L'agomélatine est un antidépresseur présentant des propriétés agonistes MT1/MT2 et antagonistes 5-HT2C. Tout d'abord, nous avons évalué les effets de l'agomélatine, de la mélatonine et d'un antagoniste 5-HT2C sur deux sorties de l'horloge (rythme de la mélatonine endogène et de la température corporelle). Les résultats obtenus suggèrent une action centrale de l'agomélatine et de la mélatonine, directement sur l'horloge via les récepteurs MT1/MT2, en induisant une augmentation de l'amplitude et une avance de phase du rythme de mélatonine. Pour la température corporelle, l'ensemble des drogues augmente l'amplitude du rythme, suggérant une action des propriétés agonistes MT1/MT2 et/ou antagonistes 5-HT2C de l'agomélatine. Puis, l'étude sur l'expression du gène horloge Per1, a révélé un effet supérieur de l'agomélatine par rapport à la mélatonine, mais seulement le jour du traitement. L'agomélatine pourrait agir sur la machinerie moléculaire de l'horloge, ce qui reste à exploiter davantage. Ces nouvelles données contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes d'action de l'agomélatine.

La première partie de mon travail de thèse a été de définir le rôle joué par le récepteur nucléaire Rev-erb alpha dans les mécanismes de synchronisation par la nourriture d'une horloge circadienne putative, non encore localisée, appelée " horloge alimentaire ". La seconde partie de mon travail a consisté à étudier la participation de Rev-erb alpha dans les régulations des métabolismes glucidique et lipidique. L'ensemble de nos données indique que le répresseur transcriptionnel Rev-erb alpha joue un rôle charnière dans les fonctions circadiennes ainsi que dans le métabolisme. En effet, d'un point de vue circadien, l'absence de Rev-erb alpha altère la synchronisation à l'heure des repas - démontré par une réduction des sorties comportementales et physiologiques de l'horloge alimentaire, ainsi que par l'absence d'ajustement du rythme de la protéine d'horloge PER2 dans l'oscillateur cérébelleux. Sur le plan métabolique, la délétion de ce gène modifie notamment le métabolisme des lipides - démontré par une accumulation excessive de tissu adipeux, une utilisation préférentielle des acides gras, ainsi qu'une perte de contrôle de l'expression de la Lipoprotéine lipase.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

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La première partie de mon travail de thèse a été de définir le rôle joué par le récepteur nucléaire Rev-erb alpha dans les mécanismes de synchronisation par la nourriture d’une horloge circadienne putative, non encore localisée, appelée « horloge alimentaire ». La seconde partie de mon travail a consisté à étudier la participation de Rev-erb alpha dans les régulations des métabolismes glucidique et lipidique. L’ensemble de nos données indique que le répresseur transcriptionnel Rev-erb alpha joue un rôle charnière dans les fonctions circadiennes ainsi que dans le métabolisme. En effet, d’un point de vue circadien, l’absence de Rev-erb alpha altère la synchronisation à l’heure des repas – démontré par une réduction des sorties comportementales et physiologiques de l’horloge alimentaire, ainsi que par l’absence d’ajustement du rythme de la protéine d’horloge PER2 dans l’oscillateur cérébelleux. Sur le plan métabolique, la délétion de ce gène modifie notamment le métabolisme des lipides – démontré par une accumulation excessive de tissu adipeux, une utilisation préférentielle des acides gras, ainsi qu’une perte de contrôle de l’expression de la Lipoprotéine lipase. / The work performed during this PhD thesis aimed at investigating the role of the transcriptional silencer Rev-erbα in both the circadian clockwork of the food-entrainable oscillator and metabolic regulations. Firstly, by evaluating food-anticipatory components in animals fed once a day at the same time, we showed that mice lacking Rev-erbα display a reduction in locomotor activity prior to food access compared to littermate controls. Accordingly, the rises in body temperature and corticosterone that anticipate mealtime are also diminished. Interestingly, daily p-ERK expression in hypothalamic regions and daily PER2 expression in the cerebellum of Rev-erbα KO mice are not phase-adjusted to feeding time. These results indicate that Rev-erbα participates in the integration of feeding signals and in food-seeking behaviors. Secondly, by investigating energy balance in fasted, normal chow or high-fat fed animals, we revealed that Rev-erbα KO mice exhibit greater reliance on lipid fuels as energy substrates, contributing to a mild hyperglycemic state. We also found that Lipoprotein lipase (Lpl) expression, is strongly up-regulated in peripheral tissues of Rev-erbα KO mice, predisposing mice to obesity. In this regard, we uncovered a new molecular pathway that ties clock-driven Lpl expression to energy homeostasis. These findings highlight the significance of daily Rev-erbα oscillations to prevent the appearance of the metabolic syndrome.In conclusion, we provide evidence that REV-ERBα may be a part of the food-entrainable oscillator clockwork that triggers food-anticipatory components, and represents a pivotal player to link the core clock machinery to metabolic pathways.

La myopathie myotubulaire (XLMTM, OMIM 310400) est causée par des mutations dans le gêne MTM1 situé sur le chromosome X et apparaît à une fréquence de 1/50 000 naissances mâles. Les patients présentent une hypotonie et une faiblesse musculaire généralisées et de graves problèmes respiratoires à la naissance. En absence de traitement, les patients sont nombreux à décéder durant la première année de vie. Mon travail de thèse consiste à développer un traitement de thérapie génique pour la myopathie myotubulaire. L'injection intraveineuse du vecteur thérapeutique rAAV9-DES-Mtm1 chez le modèle murin de la myopathie myotubulaire permet d'obtenir de la protéine transgénique dans l'ensemble des muscles squelettiques de l'organisme. Un an après le traitement, les muscles malades retrouvent une morphologie normale et les souris sont en vie. La seconde partie porte sur l'évaluation des effets de la protéine MTMR2, un homologue de la myotubularine (MTM1), sur le muscle déficient en myotubularine, comme alternative à la thérapie génique avec MTM1. L'administration d'un vecteur AAV comportant le transgène MTMR2 dans le muscle malade améliore, partiellement, le phénotype musculaire. Ces résultats suggèrent que l'augmentation du niveau d'expression de MTMR2 dans le muscle malade pourrait être un traitement efficace. Enfin j'ai étudié le rôle de l'activité phosphatase de la myotubularine dans son action thérapeutique. J'ai comparé l'effet d'une forme inactive de myotubularine (MTMIC375S) à celui du transgène thérapeutique sur le muscle atteint de myopathie myotubulaire. Les résultats montrent que l'activité phosphatase de la myotubularine est nécessaire pour son activité thérapeutique. / Myotubular myopathy (XLMTM, OMlM 310400) is caused by mutations in the MTM1 gene located on the X chromosome and appeared at a frequency of 1/50 000 male births. Most of the patients arc affected by hypotonia and generalized muscular weakness as weIl as grave respiratory problems in the birth. In absence of an effective therapeutic treatment they are many to die during the first year of their life. My thesis work consists in developing a treatment of gene therapy for myotubular myopathy. The intravenous injection of the therapeutic vector rAAV9-DES-MTM1 into the murin model of the myotubular myopathy allows transgenic protein in the whole skeletal muscle of the body. The therapeutic protein cures the muscular phenotype rapidly after injection. At one year after treatment, the thick muscles still be cured, mice are alive and recovered a normal development. Then, I estimated the effects of the protein MTMR2, a counterpart of the myotubularine (MTM1), on muscles from mice devoid of myotubularin, as alternative at the gene therapy with MTM1. The administration of a vector AAV containing the transgene MTMR2 in the thick muscles improves, partially, the muscular phenotype. These results suggest that the increase of MTMR2 protein level MTMR2 thick muscle could be an effective treatment. Finally, I studied the role of myotubularin phosphatase activity on its therapeutic action, I compared the effect of an inactive shape of myotubularin (MTM1C375S) on muscle affected by myotubular myopathy as the effect of therapeutic transgene on the same muscle. The results show that the phosphatase activity of the myotubularin is necessary for its therapeutic activity.

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