Avec le vieillissement, les protéines accumulent des dommages qui affectent leur structure et activité. La protéine L-isoaspartate (D-aspartate) méthyltransférase (PIMT) est impliquée dans la réparation de protéines endommagées au niveau de résidus aspartates. Bien que son mécanisme d'action soit connu, les voies de régulation qui influencent l'expression de la PIMT ne sont pas très bien établies. Dans cette étude, il a été observé que la protéine nommée glycogène synthase kinase 3 (GSK-3) est impliquée dans la régulation de la PIMT. En effet, le traitement de cellules gliales, devenues cancéreuses, par différents inhibiteurs connus de GSK-3, dont le lithium, a démontré une augmentation de l'expression de la PIMT. Dans la littérature, il a été rapporté que le lithium possède deux cibles principales dans la cellule: la voie de l'inositol et la protéine GSK-3. Cette dernière kinase est notamment contrôlée par la voie de Wnt. Or, le traitement des cellules avec le myo-inositol n'influence pas la PIMT, ce qui exclut la voie de l'inositol comme voie de régulation de la PIMT. Les résultats obtenus en présence de lithium suggèrent cependant une régulation de la PIMT par GSK-3, par l'intermédiaire de la voie de Wnt. Par ailleurs, un traitement des cellules avec différents inhibiteurs de protéines kinases, pouvant agir sur GSK-3 ne semble pas affecter l'expression de la PIMT. Cependant, un traitement des cellules avec un inhibiteur de la synthèse protéique, en présence de lithium, empêche l'augmentation de l'expression de la PIMT, ce qui suggère une régulation au niveau de sa synthèse. De plus, une analyse par RT-PCR démontre une modulation du niveau d'ARNm de la PIMT en présence de différents inhibiteurs de GSK-3. L'établissement de nouvelles voies de régulation pourrait permettre d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques dans des maladies impliquant la PIMT, telle que dans l'épilepsie, l'Alzheimer et surtout dans les états maniaco-dépressifs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : PIMT, GSK-3, Lithium, Cellules gliales cancéreuses.

Les modifications post-traductionnelles (MPTs) permettent un haut degré de régulation de l'expression des gènes en générant une diversité fonctionnelle au niveau du protéome. Dans le système nerveux, les MPTs régulent entre autres des facteurs de transcription permettant une adaptation rapide à un microenvironnement dynamique. Dans ce contexte, je me suis concentrée sur l’étude des Glycogène Synthase Kinases 3 (GSK3s). Elles sont au centre de la régulation de nombreuses voies de signalisation et contrôlent la stabilité de multiples cibles par phosphorylation. Au cours du développement du cerveau, les kinases GSK3 contrôlent la balance entre la prolifération et la différenciation. La dérégulation de l'activité des kinases GSK3 a un rôle clé dans les maladies neurodégénératives du cerveau. En revanche, le rôle important de ces kinases au cours du développement rétinien ainsi que dans les maladies neurodégénératives rétiniennes reste une question ouverte.L'objectif de ma thèse était d'étudier le rôle de ces kinases au cours du développement et de l'homéostasie rétinienne. J’ai montré que l'absence totale de Gsk3α et de Gsk3β très tôt au cours du développement rétinien entraîne une microphtalmie chez l'adulte. Les deux kinases jouent des rôles redondants puisque l'expression d'un seul allèle Gsk3 est suffisante pour prévenir le phénotype de microphtalmie. Cependant, une analyse phénotypique approfondie dans ce contexte génétique (un seul allèle Gsk3) a révélé une forte augmentation du nombre de cellules ganglionnaires déplacées (dRGCs) dans la couche nucléaire interne, associée à une modification des projections axonales des cellules ganglionnaires dans le cerveau par rapport aux contrôles. Dans l’ensemble, ces données suggèrent que les kinases GSK3s sont essentielles au maintien des progéniteurs rétiniens et sont impliquées dans la genèse des dRGCs. Compte tenu du très faible nombre de dRGCs en conditions normales, la fonction de ces cellules a été très peu étudiée à ce jour. Le modèle génétique que j’ai développé offre par conséquent un modèle de choix pour étudier l’ontogenèse et la fonction de ces cellules.Mes travaux de thèse se sont ensuite concentrés sur le rôle de GSK3 dans les photorécepteurs. En effet, des défauts de développement ou leur mort est l’une des principales causes de dégénérescence rétiniennes. Afin de mieux comprendre la fonction de ces kinases dans la maintenance des photorécepteurs, j'ai donc utilisé des souris invalidées de manière conditionnelle pour Gsk3α et Gsk3β spécifiquement dans les précurseurs des photorécepteurs. L’absence de GSK3 conduit à une altération de la maturation et de la fonction des photorécepteurs, suivie de leur dégénérescence. J’ai alors combiné des analyses transcriptomiques et des approches in vitro pour élucider les mécanismes sous-jacents. Mes données m’ont conduit à proposer un modèle selon lequel l’absence de GSK3 dans les photorécepteurs conduit à des défauts de phosphorylation de NRL (facteur de transcription nécessaire au développement des photorécepteurs de type bâtonnet), augmentant sa stabilité. Cette dérégulation post-traductionnelle conduit à la diminution d’expression d'un sous-ensemble de gènes cibles de NRL, co-régulés par CRX, et impliqués dans le développement et l'homéostasie des photorécepteurs. Cette dérégulation conduirait alors à la dégénérescence des photorécepteurs observée dans les mutants GSK3. Ce travail suggère donc que GSK3 joue un rôle essentiel dans la régulation de NRL pour contrôler la maturation et l'homéostasie des photorécepteurs. De telles données suggèrent également que ce mécanisme de régulation pourrait être déficient chez les patients atteints de rétinites pigmentaires dues à des mutations de NRL empêchant sa phosphorylation par GSK3. / Post-translational modifications (PTMs) allow a higher degree of regulation for the control of gene expression by generating functional diversity at the proteome level. In the central nervous system, PTMs regulate stability or activity of transcription factors allowing a rapid response to external signals and a quick adaptation to a dynamic cellular microenvironment. In this context, I focused on the ubiquitously expressed and highly conserved Glycogen Synthase Kinases 3 (GSK3s). They are at the crossroad of multifunctional signalling pathways. During mammalian brain development, GSK3 kinases control the balance between proliferation and differentiation. Deregulation of GSK3 kinases activity has also a key role in neurodegenerative diseases by causing the accumulation/aggregations of proteins causing neuronal cell death. Drugs targeting GSK3s hold a lot of promises to treat such diseases. Whether these kinases are also important during retinal development and involved in retinal diseases remains an open question. Several studies suggest the importance of regulating GSK3 function in photoreceptor under pathological conditions. Therefore, the main objective of my PhD was to investigate the role of these kinases during photoreceptor development and homeostasis. To better understand the role of these two kinases during retinal development and to highlight potential differences with the developing brain, we also investigated their function in the control of the balance between proliferation and differentiation of retinal progenitors. To achieve my work, I used conditional knockout mice for Gsk3α and Gsk3β specifically deleted either in photoreceptor precursors or in retinal progenitors during early development. The lack of GSK3 kinases in photoreceptor precursors led to impaired photoreceptor maturation and function followed by their degeneration. Transcriptomic analysis (RNAseq) 6, 10 and 14 days postnatally prior degeneration revealed several genes downregulated belonging to biological processes involved in eye development and visual functions. Among them, the expression of the transcription factor Nrl that is required for rod photoreceptor development was decreased. Astonishingly, NRL expression was highly increased at protein level. By in vitro approaches, I demonstrated that GSK3-dependent phosphorylation regulates NRL protein stability. Despite such increase, a large number of NRL target genes were downregulated leading to impaired photoreceptor maturation and function. Surprisingly, a vast majority of these downregulated genes were also target genes for CRX, another transcription factor working in synergy with NRL. This work demonstrates that PTMs of NRL play a critical role in fine tuning the expression of a subset of genes involved photoreceptor development and homeostasis. Such findings could allow the development of innovative therapeutic strategies for retinal dystrophies. The functional characterisation of GSK3 in the course of retinal development by invalidating both Gsk3α and Gsk3β in retinal progenitors early during development revealed their requirement for controlling cell cycle exit and neuronal differentiation. Indeed, the complete lack of Gsk3α and Gsk3β led to microphtalmia in adults. Interestingly, the expression of only one Gsk3 allele was enough to rescue the phenotype. However, further analysis revealed a large number of displaced ganglion cells in the inner nuclear layer. The function of these cells remains to be determined, but their timing of production corresponds to other ganglion cells. Strikingly, these displaced ganglion cells project in distinct brain regions than normal ganglion cells. Therefore, our work could provide the first step toward determining the function of the displaced ganglion cells, which appear at low number in wildtype but whose function remains to be clarified.

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

Le facteur de transcription T-bet joue un rôle central dans la régulation de la différenciation des lymphocytes T. La protéine tyrosine kinase, la glycogène synthase kinase 3 (GSK-3), inhibe l'activation des lymphocytes T et contrôle l'expression de leurs récepteurs inhibiteurs PD-1 et LAG- 3. Bien que l'inhibition de GSK-3 puisse augmenter l'expression de T-bet, l'interrelation entre T-bet et GSK-3 dans l'immunité tumorale est inconnue. Dans cette étude, nous montrons que les souris knock-out T-bet (Tbet - / -) sont compromises dans leur capacité à contrôler la croissance des cellules tumorales du mélanome B16. Cependant, l'injection d'une petite molécule inhibitrice (SMI) de GSK-3 inverse cette condition compromise entraînant le contrôle de la croissance tumorale similaire à celle observée chez les souris de type sauvage. Un examen de Tbet - / - a montré une perte de cellules dendritiques (DC) et de cellules leucocytes polymorphonucléaires (PMN) potentiellement suppressives et de lymphocytes tumoraux T (TILs) CD4 + accompagnée d'une augmentation de cellules T CD8 +. L'analyse viSNE (avancé tSNE) a en outre montré une réduction de la population effectrice expérimentée à l'antigène dans les TILs CD8 + chez Tbet -/-. Cette population est marquée par la réduction de CD44. L'inhibition de GSK-3 n'a montré aucun effet sur la perte de DC, TILs CD4 +, PMN et les TILs CD8 + ainsi que l’expression de Granzyme B (GZMB) sur les cellules T CD8 +. La seule exception était une augmentation mineure néanmoins statistiquement significative du facteur de transcription Eomesdermin (Eomes) dans les TILs CD8 +. L'étude démontre un effet compensatoire inattendu de l'inhibition de GSK-3 sur la perte de T-bet. Il reste à élucider la nature complète du parcours de cette compensation. / The transcription factor T-bet plays a central role in regulating T-cell differentiation, while the protein tyrosine kinase, glycogen synthase kinase 3 (GSK-3) inhibits T-cell activation and controls the expression of inhibitory receptors PD-1 and LAG-3 on T-cells. Although GSK-3 inhibition can increase T-bet expression, the inter-relationship between T-bet and GSK-3 in tumor immunity is unknown. In this study, we show that T-bet knock-out (Tbet-/-) mice are compromised in their ability to control the growth of the B16 melanoma tumor cells. However, the injection of a small molecule inhibitor (SMI) of GSK-3 reverses this compromised condition resulting in the control of tumor growth similar to that seen in wild type mice. An examination of Tbet-/- showed a loss of dendritic cells (DC) and potentially suppressive polymorphonuclear leucocytes (PMN) and CD4+ cell tumor infiltrating lymphocytes (TILs) accompanied by an increase in CD8+ cells. viSNE analysis (advanced tSNE- t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding) further showed a reduction of antigen experienced effector marker CD44 in CD8+ TILs in Tbet-/-. GSK-3 inhibition showed no effect on the loss of DCs, CD4+ TILs or the presence of PMNs or CD8+ T-cells or the loss of Granzyme B (GZMB) on CD8+ cells. The one exception was a minor but statistically significant increase in the transcription factor Eomesodermin (Eomes) in CD8+ TILs. The study demonstrates an unexpected compensatory effect of GSK-3 inhibition on the loss of T-bet. The full nature of the pathway that accounts for this compensation remains to be elucidated.