Au cours du développement du système nerveux, les cellules souches neurales donnent naissance à une grande variété de neurones ayant des fonctions spécialisées et participant à des processus tels que la cognition, la locomotion ou la perception des stimuli en provenance de notre environnement. Une meilleure compréhension de ces processus passe par l’étude des mécanismes moléculaires contrôlant la spécification des progéniteurs du système nerveux et en particulier l’identification des gènes contrôlant le comportement des progéniteurs neuraux. Les gènes Prdm (PR domain containing methyltransferases) codent pour des régulateurs épigénétiques jouant des fonctions essentielles au cours du développement embryonnaire. Parmi ceux-ci Prdm12, un gène non caractérisé évolutivement conservé, est remarquable par son expression restreinte à des régions spécifiques du système nerveux en développement, suggérant qu’il pourrait jouer un rôle dans la régionalisation du tissu neural. C’est ainsi que les travaux réalisés durant cette thèse ont eu à dessein d’aborder la fonction de Prdm12 dans deux territoires où il est fortement exprimé dans l’embryon en développement, la partie ventrale de la moelle épinière où sont localisé les neurones moteurs et les ganglions rachidiens contenant les corps des neurones somatosensoriels mécanorécepteurs, propriocepteurs et nocicepteurs qui innervent le corps. Dans la moelle épinière embryonnaire, Prdm12 est exprimé spécifiquement dans les progéniteurs p1 qui se différencient en interneurones V1, des interneurones inhibiteurs se connectant directement aux neurones moteurs et impliqués dans les mouvements rythmiques de la locomotion. Nos études réalisées chez le xénope, le poulet et la souris ont permis de démontrer la fonction cruciale de Prdm12 dans le maintien de l’identité cellulaire des progéniteurs p1, via la répression directe des facteurs de transcription Nkx6.1/2 et Dbx1 dirigeant les progéniteurs vers d’autres destinées, ainsi que dans la spécification de ces progéniteurs p1 en interneurones V1. Dans les ganglions rachidiens en formation, nous avons observé que Prdm12 est exprimé sélectivement dans les progéniteurs donnant naissance aux nocicepteurs, les neurones sensoriels impliqués dans la perception des stimuli nocifs, et qu’il reste exprimé dans les nocicepteurs au cours de leur différenciation. Chez la souris, nous avons montré que la perte de Prdm12 induit une hypoplasie de ces ganglions rachidiens causée par l’agénésie spécifique des nocicepteurs, due à la non-initiation de l’expression de TrkA, un récepteur neurotrophique liant le NGF (Nerve Growth Factor) indispensable à la survie de ces cellules. De plus, la délétion conditionnelle de Prdm12 au sein des neurones sensoriels somatiques indique qu’il y reste requis pour l’expression de TrkA et d’autres gènes impliqués dans l’identité et le bon fonctionnement des nocicepteurs. Prdm12 apparait donc comme un nouveau régulateur essentiel du développement des nocicepteurs, nécessaire à leur spécification mais aussi à leur maturation. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les études menées depuis de nombreuses années sur l'embryogenèse de la souris ont permis sa caractérisation morphologique. Le but de notre équipe est de participer à l'élucidation des facteurs jouant un rôle important dans le développement préimplantatoire murin. Pour cela, nous nous sommes focalisés sur un des 1ers types cellulaires déterminé à ces stades : l'endoderme primitif (EPr). L'EPr est un tissu extra-embryonnaire formant un épithélium indispensable au bon déroulement du développement et à la survie de l'embryon. Afin de mieux caractériser les facteurs génétiques et voies de signalisations impliquées dans la différenciation de l'EPr chez la souris, je me suis intéressée à la signalisation rétinoïque ainsi qu'à la voie Wnt canonique. J'ai tout d'abord analysé l'expression des marqueurs de l'EPr et de l'épiblaste (le tissu embryonnaire) par RT-PCR quantitative au cours de la différenciation de cellules F9 en cellules de l'EPr par l'acide rétinoïque. Ainsi, j'ai montré que les marqueurs endodermiques sont induits séquentiellement et dans le même ordre que in vivo. J'ai également adapté ce protocole aux embryons préimplantatoires. Grâce à l'hybridation in situ et l'immunohistochimie j'ai caractérisé les profils d'expression de différents acteurs de la voie des rétinoïdes ainsi que de Dkk1 un inhibiteur spécifique de la voie Wnt canonique.

During embryonic development and embryonic stem (ES) cell differentiation, the different cardiovascular cell lineages that compose the mature heart arise from different groups of cardiovascular progenitors (CPs), which contribute to the formation of different heart regions. Mesp1 expression is the earliest sign of cardiovascular development. Tracing of the early Mesp1-exressing cells reveals that all cardiovascular cell of the mature heart arise from Mesp1-derived cells. Various functional studies demonstrated that Mesp1 acts as a central regulator of cardiovascular lineage commitment, controlling the expression of early cardiac transcription factors, and promoting the differentiation into cardiomyocytes (CMs), endothelial cells (ECs) and smooth muscle cells (SMCs). In the first part of my thesis work, we generated a Mesp1-GFP reporter ES cell line allowing tracking and isolating the earliest Mesp1-expressing cells. We found that Mesp1 marks an early population of CPs that presents the ability to differentiate into CM, EC and SMC from both heart fields. Transcriptional profiling of Mesp1-CPs uncovered cell surface markers allowing their isolation. In this work, we demonstrated that Mesp1 is required for the specification of these early CPs. To ensure harmonious cardiovascular development, CP specification and migration must be tightly coordinated. In addition to the induction of cardiovascular cell fate, Mesp1 seems also involved in the migration of early CPs, as suggested by the cardiac malformation associated with the persistence of cardiovascular specification and differentiation in Mesp1 null embryo. The upregulation of the expression of Mesp2, its closest homologue, in the cardiac mesoderm, suggest that Mesp2 could partially compensate for Mesp1 function during early cardiogenesis, while Mesp1 presents a unique and non-redundant function during CP migration. However, Mesp2 KO embryos do not present cardiac malformation but rather major skeletal malformations. Inactivation of both Mesp1 and Mesp2 leads to the complete absence of mesoderm formation and consequently heart development, precluding the assessment of the redundant function of Mesp1 and Mesp2 during cardiovascular specification and differentiation. The second aim of this work was to investigate the mechanisms that compensate for Mesp1 functions during the early steps of cardiogenesis, and those that control the unique Mesp1 function during CP migration. Using inducible gain of function experiments during ES cell differentiation, we found that Mesp2 was as efficient as Mesp1 at promoting CP specification, EMT and cardiovascular differentiation. However, only Mesp1 stimulated the polarity and directional cell migration through a cellular autonomous mechanism. Transcriptional analysis and ChIP experiments revealed that Mesp1 and Mesp2 activate a common set of target genes that promote CP specification and differentiation. We identified two direct Mesp1 target genes, Prickle1 and RasGRP3, that are strongly induced by Mesp1 and not Mesp2 and which control the polarity and the speed of cell migration. Altogether our results identify the molecular interface controlled by Mesp1 that links CP specification and migration during ES cell differentiation. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La spécification de l’identité ventrale ou dorsale des progéniteurs au cours du développement du télencéphale est la première étape cruciale du développement du cortex cérébral. Les gènes doublesex and mab-3 related (Dmrt) Dmrt3 et Dmrt5 codent pour des facteurs de transcription à doigt de Zinc. Ces gènes sont coexprimés selon un gradient fort caudomédialement à plus faible rostrolatéralement dans le primordium du cortex cérébral. Nous avons d’abord démontré qu’ils étaient tous deux nécessaires pour la formation normale de l’hème corticale, l’hippocampe et le néocortex caudomédian. Nous avons plus récemment adressé le rôle de Dmrt3 et Dmrt5 dans le contrôle de la régionalisation dorsale/ventrale du télencéphale chez la souris, en comparant les phénotypes d’embryons simple knock out (KO) aux double KO (dKO), et par une expression ectopique de Dmrt5 dans le télencéphale ventral. Nous avons mis en évidence que DMRT3 et DMRT5 agissent comme des régulateurs critiques de l’identité dorsoventrale des cellules progénitrices en réprimant les régulateurs ventralisants. Les régulateurs transcriptionnels précoces de la destinée ventrale exprimés dans la partie dorsale de l’éminence ganglionnaire latérale tel que Gsx2 sont régulés positivement dans le télencéphale dorsal embryons dKO et régulés négativement lorsque les progéniteurs du télencéphale ventral expriment Dmrt5 de manière ectopique. La surexpression conditionnelle de Dmrt5 au sein du télencéphale entier génère un profil d’expression et des défauts très similaires à ceux observés lors d’une activité Gsx2 diminuée. De plus, les embryons Emx2 ;Dmrt5 double KO montrent un phénotype similaire à celui des embryons dKO. DMRT3, DMRT5 et le facteur de transcription à homéobox EMX2 peuvent se lier à un enhancer spécifique du télencéphale ventral dans le locus Gsx2. Ensemble, nos résultats montrent des fonctions coopératives de DMRT3, DMRT5 et EMX2 dans la distinction entre identité dorsale et ventrale au sein du télencéphale. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La respiration est une activité rythmique motrice bilatéralement synchronisée présente chez le fœtus et vitale à la naissance. Au cours du développement, des interneurones dans le tronc cérébral s'organisent en réseaux qui génèrent et modulent la commande rythmique respiratoire. Ils y forment deux oscillateurs, actifs chez l'embryon et vitaux à la naissance : l'oscillateur parafacial et le complexe preBötzinger. Les mécanismes qui gouvernent l'assemblage et contraignent la fonction de ces réseaux sont étudiés dans le laboratoire avec des outils génétiques, des techniques histologiques, électrophysiologiques et d'imagerie chez la souris. Etudiant le développement du complexe preBötzinger, nous montrons que des progéniteurs neuraux exprimant le gène à homéobox Dbx1 donnent naissance aux interneurones qui constituent le cœur de l'oscillateur. Ces interneurones (i) sont glutamatergiques et nécessaires à la genèse du rythme, (ii) expriment le gène Robo3 requis pour que leurs axones croisent la ligne médiane et conditionnent la synchronisation de l'activité. Cette étude illustre et affine les liens existant entre les schémas de régionalisation du tube neural et l'émergence de modules fonctionnels en permettant de proposer une signature transcriptionnelle des neurones rythmogènes principaux de la respiration.

Chez les vertébrés, le système cardiovasculaire est composé d’un réseau hiérarchisé de vaisseaux sanguins couplés à la pompe cardiaque. Ce système tubulaire se ramifie dans chaque organe afin d’y acheminer l’oxygène et les nutriments et d’éliminer les sous-produits métaboliques. Au-delà de cette fonction ancestrale et malgré sa continuité anatomique, les segments constituant ce système sont fortement hétérogènes, s’adaptant localement à la fonction de chaque organe. Cette spécification organotypique se manifeste le plus distinctement par la barrière hémato-encéphalique (BHE), un ensemble de propriétés protectrices adoptées par l’endothélium cérébral. Il est établi que tant la formation du système vasculaire cérébral que sa maturation en BHE résultent d’une intense et complexe communication entre le système neural et vasculaire, et que cette communication reste active jusque chez l’adulte.Au cœur de cette thématique, le GPR124, un GPCR d’adhésion orphelin, fut caractérisé à l’entame de ce travail de thèse comme le premier facteur endothélial spécifiquement impliqué dans la vascularisation du système nerveux central chez les mammifères. Malgré cette découverte pionnière pour le domaine, la nature des signaux activant le Gpr124 ainsi que les mécanismes de signalisation de ce récepteur restaient totalement élusifs et ont été explorés au cours de ce travail de doctorat.Nous avons ainsi déterminé que le Gpr124 est requis pour l’activation de la voie Wnt/β-caténine dans l’endothélium cérébral et que cette voie est essentielle à l’angiogenèse cérébrale en contrôlant sélectivement les cellules de tête du bourgeon angiogénique. Nous avons également identifié Reck comme partenaire d’interaction essentiel du Gpr124. Le complexe Gpr124/Reck confère aux cellules la capacité unique de discriminer parmi les différents membres de la famille de ligands Wnt et ainsi de transduire spécifiquement les signaux Wnt7a/b angiogéniques dérivant du système neural.Notre étude a permis de développer un modèle moléculaire et cellulaire intégratif expliquant le contrôle neural de l’invasion vasculaire cérébrale chez les vertébrés. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Movement is a prerequisite for normal fetal development and growth. Intrauterine movement restrictions cause a broad spectrum of disorders in which the unifying feature is a reduction or lack of fetal movement, giving rise to the term fetal akinesia deformations sequence (FADS [OMIM 208150]). FADS corresponds to a clinically and genetically heterogeneous constellation of properties and is characterized by multiple joint contractures, facial abnormalities, and lung hypoplasia as a result of the decreased in utero movement of the fetuses. Affected babies are often prematurely and stillborn, and those born alive typically die within minutes or hours after birth. The genetic causes for this fatal disorder are ill-defined as a genetic diagnosis is rarely executed, but mutations in three genes, namely RAPSN, DOK7, and MUSK, as well as in the subunits of the muscular nicotinic acetylcholine receptor (AChR) have been described. These mutations are thought to affect neuromuscular junctions, although this has not been proven experimentally.The nucleoporin NUP88 is a constituent of the nuclear pore complex (NPC), the gate for all trafficking between the nucleus and the cytoplasm. NUP88 resides on both the cytoplasmic and the nuclear side of NPCs, and it is found in two distinct subcomplexes. It associates with NUP214 and NUP62 on the cytoplasmic face, while on the nuclear side NUP88 binds NUP98 and the intermediate filament protein lamin A. The NUP88-NUP214-NUP62 complex plays an essential role in the nuclear export of a subset of proteins and pre-ribosomes, which is mediated by the nuclear export receptor CRM1. NUP88 in particular somewhat participates in the nuclear export of NF-κB proteins in a CRM1-dependent manner. Moreover, NUP88 is frequently overexpressed in a variety of human cancers, and its role in cancer appears linked to the deregulation of the anaphase-promoting complex. Here, we report the first Mendelian disorders caused by mutations in NUP88 and with that the first lethal developmental human disease due to mutations in a nuclear pore component. We demonstrate that biallelic mutations in NUP88 are likely to cause fetal akinesia of the Pena-Shokeir subtype. We confirm in zebrafish that loss of NUP88 impairs movement and the mutations identified in the affected individuals resemble a loss-of-function phenotype. We show that loss of NUP88 affects expression and localization of rapsyn, the protein encoded by RAPSN, in human and mouse cell lines, and patient samples. Consistent with altered rapsyn, AChR clustering and neuromuscular junction formation in zebrafish are abnormal. We therefore propose that defective NUP88 function cause FADS by affecting neuromuscular junction formation.Keywords: Nuclear pore complex, NUP88, Fetal Akinesia Deformation Sequence, rapsyn, acetylcholine receptor clustering, synaptic transmission, fetal development, inherited developmental disorder. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les polluants organiques persistants (POPs) sont très préoccupants dans les écosystèmes arctiques car ils sont résistants à la dégradation, semi-volatils et lipophiles. En raison des courants océaniques et atmosphériques naturels, l'Arctique est constamment contaminé par des POPs. Une fois dans l'Arctique, les POPs affectent non seulement la faune (par exemple les ours polaires), mais aussi la population autochtone, en particulier en raison de leur dépendance à leur régime alimentaire traditionnel. De multiples disparités de santé sont liées aux POPs, il n'est donc pas surprenant qu'il existe de grandes différences de santé entre les Canadiens autochtones et non autochtones. À l'échelle moléculaire, les POPs ont été associés à des changements épigénétiques suite à une exposition in utero et adulte. L'hérédité épigénétique paternelle a été décrite dans des cohortes humaines et des modèles animaux allant du ver à la souris. L'exposition aux contaminants environnementaux au cours des moments clés du développement a été corrélée avec des changements physiologiques chez la progéniture future qui s'étendent souvent sur plusieurs générations. Malgré ces observations, les mécanismes moléculaires sous-jacents de l'hérédité non génétique (épigénétique) restent inconnus. Ici, nous émettons l'hypothèse que l'exposition in utero à un mélange de POPs représentatif de l'environnement induit des épimutations dans la lignée germinale paternelle qui sont ensuite transmises à travers la lignée paternelle compromettant ainsi le développement embryonnaire précoce sur plusieurs générations (non) exposées. Nous émettons en outre l'hypothèse qu'une intervention nutritionnelle, utilisant une supplémentation en acide folique alimentaire (vitamine B9), atténue et / ou réduit les épimutations spermatiques induites parles POPs et les phénotypes embryonnaires précoces générationnels associés. Pour tester ces hypothèses, les rates Sprague-Dawley fondatrices (F0) ont été gavées avec un mélange de POPs représentatif de l'environnement (500 μg de BPCs plus les autres POPs / kg de poids corporel) ou de l'huile de maïs et ont reçu un régime d'acide folique 1X ou 3X représentant l'apport des aliments enrichis ± prise d'une multivitamine. Les traitements ont été administrés cinq semaines avant la reproduction et jusqu'à la mise bas. Seules les femelles fondatrices F0 ont été directement exposées au mélange de POPs et / ou au régime d'acide folique 3X. Les descendants F1-F4 suivants ont reçu un régime d'acide folique 1X. À 90 jours, les mâles F1 ont été reproduits avec des femelles non traitées pour obtenir les portées F2. Similairement, les descendants des générations F3 et F4 ont été générés. Pour chaque génération, les spermatozoïdes des mâles (âgés de 150 jours) ont été prélevés et des embryons au stade deux cellules ont été collectés des femelles. Cette thèse démontre que de multiples mécanismes épigénétiques spermatiques, à savoir les miARN, la méthylation de l'ADN et la marque d'histone H3K4me3, sont significativement affectés par l'exposition in utero aux POPs et sont partiellement sauvés par la supplémentation en acide folique de manière inter- (F1, F2) et parfois transgénérationnelle (F3, F4). Bien que la lignée paternelle F3 n'ait pas montré de paramètres spermatiques altérés, elle a produit les pires résultats de grossesse par rapport à toutes les autres générations. Ceci est particulièrement intéressant car l'expression des gènes des embryons à deux cellules F4 a révélé le plus grand nombre de gènes exprimés différentiellement en raison de tous les traitements. Ces altérations précoces du développement pourraient être le fondement de résultats phénotypiques défavorables ultérieurs. En plus de ce qui précède, dans un chapitre complémentaire, nous démontrons que l'exposition aux POPs environnementaux est associée à l'expression du gène du tissu adipeux de la mère ours polaire sauvage et de ses oursons. Ceci peut être lié à un dysfonctionnement métabolique, mettant ainsi en évidence les différences physiologiques de réponse entre les adultes et leurs petits. Les résultats de cette thèse servent de preuves pour des concepts essentiels qui ont des implications majeures pour les populations humaines et fauniques. / Paternal epigenetic inheritance has been described in human cohorts and animal models ranging from worm to mouse. Exposure to environmental contaminants during key developmental time points has been correlated with physiological changes in future offspring that oftentimes last over multiple generations. Despite these observations, the underlying molecular mechanisms of nongenetic (epigenetic) inheritance remain unknown. Persistent organic pollutants (POPs) are of great concern in Arctic ecosystems as they are resistant to degradation, semi-volatile and lipophilic. Due to naturally-occurring ocean and atmospheric currents, the Arctic is persistently contaminated with POPs. Once in the Arctic, POPs affect wildlife (e.g. polar bears) and also the Indigenous human population particularly through their reliance on the traditional diet. Multiple adverse health outcomes are related to POPs, and an increasing body of evidence showed big health discrepancies between Indigenous and non-Indigenous Canadians. On a molecular scale, POPs cause epigenetic changes following in utero and adult exposure. Here we hypothesize that in utero exposure to an environmentally-relevant Arctic POPs mixture induces epimutations in the paternal germline that are subsequently transmitted through the paternal lineage thereby compromising early-embryonic development in multiple (un)exposed generations. We further hypothesize that a nutritional intervention, using dietary folic acid (Vitamin B9) supplementation, mitigates and/or reduces the POPs induced sperm epimutations and associated generational early-embryonic phenotypes. Folic acid's potential protective role against environmental pollutants, such as BPA, DDT and air pollutants, has been demonstrated multiple times. Folic acid functions as a methyl donor in the methyl cycle, a cycle that is of high importance during prenatal development as rapid cell division and epigenetic reprogramming occur. To test these hypotheses, founder Sprague-Dawley rat dams (F0) were gavaged with an environmentally-relevant POPs mixture (500 μg PCBs plus remaining POPs/kg body weight) or corn oil and were fed a 1X or 3X folic acid diet representing intake from fortified foods ± additional supplementation. Treatments were administered five weeks before reproduction and until parturition. Only F0 founder females were directly exposed to the POPs mixture and/or 3X folic acid diet. Subsequent F1-F4 offspring received a 1X folic acid diet. At 90 days of age, F1 males were bred with untreated females to obtain F2 offspring. Likewise, F3 and F4 generation offspring were generated. For each generation, sperm were collected from males (150 days of age) and two cell embryos from females. This thesis demonstrates that multiple epigenetic mechanisms in sperm, specifically non-coding micro RNAs (miRNAs), DNA methylation and histone mark H3K4me3, are significantly affected by in utero POPs exposure and are partially restored by folic acid supplementation in an inter- (F1,F2), sometimes, transgenerational (F3, F4) manner. Although the F3 paternal lineage did not show altered sperm parameters, it did display the worst pregnancy outcomes compared to all other generations. This is particularly interesting as F4 two-cell embryo gene expression revealed the highest number of differentially expressed genes due to all treatments. These early developmental alterations could be the foundation for later adverse phenotypic outcomes. In a complementary chapter, we hypothesized that exposure to POPs differentially alters genome-wide gene transcription in the adipose tissue from mother polar bears and their cubs, highlighting molecular differences in response between adults and young. Results confirm that environmental POPs exposure is associated to wild polar bear mother and cub adipose tissue gene expression, which may be linked to metabolic dysfunction; thereby highlighting physiological differences in response between adults and their young. The outcomes of this thesis serve as essential proof-of concept that has major implications for human and wildlife populations.