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Les cils primaires (CP) sont des antennes de signalisation présentes en un seul exemplaire à la surface de la plupart des cellules. Ils jouent un rôle de mécano/chimio-senseur pour le développement et le maintien de l’homéostasie des tissus, en réponse aux stimuli et à la voie de signalisation Hedgehog (Hh). En 2013, l’ultrastructure des CP a été mise en évidence au niveau de l’épithélium épididymaire d’équidés. L’épididyme, organe du système reproducteur masculin, est composé d’un épithélium pseudo-stratifié qui se différencie au cours du développement postnatal jusqu’à la maturité sexuelle. Les principaux types cellulaires qui composent cet organe au stade adulte, assurent des rôles distincts et bien orchestrés afin de contrôler la composition du micro environnement spermatique. Bien que la mutation de gènes codants pour les constituants majeurs des CP entraine une infertilité masculine, peu de choses sont connues concernant leur rôle au niveau du système reproducteur. Nous émettons donc l’hypothèse que les CP de l’épididyme joueraient un rôle dans le contrôle des fonctions épididymaires. Nos objectifs se définissent en deux points 1) la caractérisation spatiotemporelle de cette organelle le long de l’épididyme, 2) l’étude fonctionnelle des CP de l’épididyme dans la voie de signalisation Hh. Grâce à une souris double transgénique Ar13b/mCherry- EGFP/CETN2, nous avons révélé une évolution spatio-temporelle des CP au cours du développement postnatal. En effet, à la naissance, les CP sont localisés au pôle apical des cellules épithéliales alors que chez l’adulte, les CP sont exclusivement associés aux cellules basales cytokératine-V positives. De plus, par une approche pharmacologique nous avons évalué l’implication des CP de l’épididyme murin dans la voie de signalisation Hh. Bien que les fonctions des CP, au niveau de l’épididyme, restent à déterminer, notre étude préliminaire ouvre la porte à une meilleure compréhension du contrôle et maintien des fonctions épididymaires et de la fertilité masculine. / Primary cilia (PC) are signaling antennas present in a single copy on the surface of most cells. They play a mechano / chemo-sensory role for the development and maintenance of tissue homeostasis, in response to extracellular stimuli. In 2013, the ultrastructure of PC was demonstrated in equine epididymal epithelium. The epididymis, an organ of the male reproductive system, is composed of a pseudo-stratified epithelium that differentiates during postnatal development until puberty. The different cell types populating this epithelium control discrete and well-orchestrated role in order to monitor the composition of the spermatic microenvironment. Although the mutation of genes coding for the major constituents of PC leads to male infertility, little is known regarding their role in the male reproductive system. Our hypothesis is that PC play a role in the control of the functions important to epididymis development and homeostasis. Our objectives are defined in two points: 1) to define the spatio-temporal localization of this organelle along the epididymis, and 2) to determine the function of PC in the transduction of the Hh signaling pathway, which is known to be important for proper sperm maturation. Using an Arl13b / mCherry- Cetn2 / GFP transgenic mouse model, we revealed for the first time a spatio-temporal change of PC cell-specificity during epididymis postnatal development, from birth to adulthood. After birth, PC are localized at the apical pole of undifferentiated cells whereas in the adult, elongated PC are exclusively associated with cytokeratin-V positive basal cells. In addition, we evaluated the involvement of epididymal PC in the transduction of the Hh signaling pathway through a pharmacological approach. Although the functions of PC in the epididymis remains to be determined, our preliminary in vitro studies open the door to a better understanding of the control and maintenance of epididymal functions and male fertility.

Parmi les voies de signalisation, la voie hedgehog (HH) intervient dans la formation de la polarité segmentaire. Si elle est défectueuse, elle entraine plusieurs malformations. De nombreux cancers présentent une suractivation de cette voie. La voie HH activée par la fixation du ligand HH sur le récepteur Patched (hPtc) et fait intervenir plusieurs partenaires cytoplasmiques dont Supressor of Fused (SUFU).Peu de données moléculaires et structurales sont disponibles pour cette voie et pourtant, ces données sont nécessaires pour comprendre sans ambiguïté son fonctionnement. De plus, la voie HH a été proposée comme pouvant être la cible de traitements chimio thérapeutiques mais, la protéine hPtc est impliquée dans l’efflux des drogues anticancéreuses. Une inhibition de hPtc par la fixation de son ligand entraine l’inhibition de l’efflux de drogues. Néanmoins, le site de fixation de HH sur son récepteur n’a pas encore été déterminé.Durant cette thèse, les travaux effectués ont permis l’étude structurale de la protéine hPtc notamment la détermination du site de fixation de HH. Dans un deuxième volet de cette thèse, j’ai effectué des études structurales de certaines protéines SUFU.Dans un premier temps, je me suis concentrée sur les domaines extracellulaires de hPtc qui ont été décrits comme nécessaires pour la fixation du ligand HH. J’ai cloné une protéine chimère constituée de ces deux domaines liés par le lysozyme du phage T4 (hPtcD1D2). Cette construction a été exprimée dans la bactérie E.coli. Les conditions d’expression testées permettent d’obtenir la protéine sous forme de corps d’inclusion dans le cytoplasme de la bactérie. Dans un deuxième temps, j’ai cloné la protéine dans un vecteur d’expression en levure. De manière concomitante, j’ai exprimé la protéine hPtc tronquée de ses régions N et C terminales (hPtcΛNΛC). Ce sont des régions intrinsèquement désordonnées qui ne permettraient pas une bonne cristallisation de la protéine. L’expression a été effectuée dans la levure. La solubilisation de cette protéine membranaire est en cours d’expérimentation.Ce travail a permis de poser les bases de l’expression de hPtcD1D2 et de hPtcΛNΛC. Ceci va notamment permettre la surexpression de la protéine et sa cristallisation afin de déterminer sa structure 3D et de caractériser le site de fixation de son ligand.Enfin, j’ai entrepris des études structurales des protéines SUFU. Un nouveau site de fixation du Zn a été caractérisé. En effet, après purification de la protéine, j’ai effectué des mesures d’affinité à l’aide d’un composé colorimétrique, le PAR et des expériences de spectroscopie d’émission atomique dans lesquelles j’ai fait varier le pH et la concentration en Zn. Ainsi, j’ai pu déterminer que SUFU a une affinité nanomolaire pour le Zn meilleure à pH 8 qu’à pH 6,5. La fixation du Zn se ferait donc sur un site basique. La structure de SUFU a été publiée en 2013 par deux équipes, je me suis inspirée des conditions de cristallisation de ces deux articles, pour cristalliser SUFU en présence de Zn. Les expériences de dichroïsme circulaire ont permis d’affirmer que ces protéines sont organisées en hélices α et en feuillets β. De plus, grâce à la diffusion des rayons X aux petits angles, j’ai pu déterminer que dSUFU, hSUFU et zSUFU n’ont pas la même conformation en solution. Alors que SUFU de drosophile est un monomère globulaire, les protéines humaine et de poisson zèbre seraient plutôt allongées et dimériques. La région N-terminale potentiellement impliquée dans la dimérisation de hSUFU a été tronquée et hSUFUΛ30 présente des différences d’état d’oligomérisation. / The hedgehog (HH) signalling pathway is involved in the segmentary polarity formation. A dysfunction of this pathway is involved in several malformations. Many cancers are caused by an overactivation of this pathway. The HH signalling pathway is activated by the binding of HH on the receptor Patched (hPtc) and included many cytoplasmic partners such as Suppressor of Fused (SUFU). Few molecular and structural data are available on this pathway even if these data are important to fully understand the pathway functioning. Furthermore, the HH signalling pathway maybe be the target of chemotherapy treatments. However, hPtc is involved in drugs efflux. Inhibition of hPtc by the binding of its ligand HH may lead to this efflux inhibition. Yet, the binding site of HH on its receptor hPtc is not yet determined.During this thesis, the structural study of hPtc have been engaged especially the study of the binding site of HH. On the second hand, I have structurally studied some SUFU proteins.First of all, I have expressed the extracellular domains of hPtc. These domains have been described as necessary for HH binding. I have cloned a chimeric protein made by the extracellular domains of hPtc associated with the lysozyme T4 (hPtcD1D2). This protein have been expressed in the E.Coli bacteria. The protein expressed in inclusion bodies in the cytoplasm of the bacteria. In the other hand, I have cloned the protein in a yeast expression vector. Part of this, I have also expressed the protein hPtc without its N and C terminus regions (hPtcNC). These regions are intrinsically disrupted. They may lead to crystallization problems. The protein has been expressed in yeast.This work permits to expressed hPtcD1D2 and hPtcΛNΛC. This will lead to the expression of the protein and its crystallisation in order to determine its 3D structure and to characterize its ligand binding site.Finally, I structurally studied the protein SUFU. A novel Zn binding site has been characterized. In fact, after the protein purification, I have made affinity measures using a colorimetric compound, PAR. I also performed spectroscopic experiments in which I varied the pH and the Zn concentration. I determined the SUFU has a nanomolar affinity for the Zn best at pH 8 than pH 6.5. Indeed, the Zn binding site may be basic.The SUFU 3D structure has been published in 2013 by two teams. Inspired by their crystallization conditions, I crystallized SUFU with Zn. Circular dichroism experiments permitted to know that the proteins are organized in  helices and  sheets. Moreover, small angles X ray spectroscopy experiments show that dSUFU, hSUFU and zSUFU did not have the same conformation in solution. Drosophila SUFU is globular and human and zebrafish SUFU are long and dimeric. The N-terminal region involved in hSUFU has been removed and hSUFUΛ30 is present in different oligomerization forms.

La niche des cellules souches hématopoïétiques représente un compartiment complexe et radiosensible. Sa protection est nécessaire pour la restauration de l'hématopoïèse faisant suite à la myélosuppression due à l'exposition aux rayonnements ionisants. Nous avons dans un premier temps étudié l'effet des RI sur les progéniteurs endothéliaux et mésenchymateux de la niche par une étude de radiosensiblilité et une étude d'évaluation de la mort cellulaire. Nous avons proposé par la suite une stratégie innovante de thérapie génique basée sur la sécrétion locale et à court terme du morphogène Sonic hedgehog visant à favoriser la réparation de niche vasculaire et de stimuler les cellules souches hématopoïétiques et les cellules progénitrices résiduelles. Nous avons étudié la réponse hématopoïétique des singes irradiés à 8-Gy gamma après une seule injection intra-osseuse de cellules souches mésenchymateuses xénogéniques, multipotentes et d'origine adipocytaire transfectées avec un plasmide pIRES2-eGFP codant la protéine Shh. La durée de thrombocytopénie et celle de neutropénie ont été significativement réduites chez les animaux greffés et les clonogènes sont normalisés à partir du 42e jour. Les aires sous la courbe des numération des plaquettes et des neutrophiles entre 0 et 30 jours ont été significativement plus élevée chez les animaux traités que chez les témoins. La greffe d'explants de MatrigelTM colonisés ou non avec des ASC chez des souris immunodéprimées a démontré une activité pro-angiogénique notable des ASC transfectées avec le plasmide Shh . Le suivi à long terme (180 à 300 jours) a confirmé une reconstitution durable dans les quatre singes greffés. Globalement cette étude suggère que la greffe de cellules souches multipotentes Shh-peut représenter une nouvelle stratégie pour la prise en charge des dommages radio-induits de la niche. / The hematopoietic stem cell niche represents a complex radiosensitive compartment whose protection is required for recovery from radiation-induced myelosuppression. We initially studied RI effects on endothelial and mesenchymal progenitors by an evaluating radiosensitivity and cell death. Then, we have proposed a new gene therapy strategy based on local and short term secretion of Sonic hedgehog morphogene to favour vascular niche repair and to stimulate residual hematopoietic stem and progenitor cells. We investigated the hematopoietic response of 8-Gy gamma irradiated monkeys to a single intra-osseous injection of xenogeneic multipotent mesenchymal stem cells transduced with a Shh pIRES2 plasmid. Thrombocytopenia and neutropenia duration were significantly reduced in grafted animals and clonogenics normalized from day 42. Areas under the curve of PLTs and ANCs between day 0 and day 30 were significantly higher in treated animals than in controls. Grafting MatrigelTM colonized or not with ASC in immunocompromized mice demonstrated a notable pro-angiogenic activity for Shh-ASC. Long term follow up (180-300 days) confirmed a durable recovery in the four grafted monkeys. Globally this study suggests that grafting Shh-multipotent stem cells may represent a new strategy to cure radiation-induced niche damage.

Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Fettlebererkrankung. In der Einleitung wird auf die aktuelle Relevanz der Gesundheitsstörung und Therapiemöglichkeiten eingegangen, insbesondere durch das, in der Therapie des Diabetes mellitus Typ 2 gebräuchliche Biguanid Metformin. Der Bezug zu molekularbiologischen Signalwegen wird hergestellt und verschiedene in vitro Modellsysteme werden vorgestellt. Anschließend wird auf die Herkunft und genetische Besonderheiten der verwendeten primären Maushepatozyten und Hepatomzellen eingegangen, bevor die angewandten Methoden vorgestellt werden. Zum Einsatz kam in dieser Arbeit vor allem die Lipidmessung mittels Fettrot, um das Ausmaß an Steatosis quantifizierbar zu machen. Im Ergebnisteil folgen zuerst Versuche zur Zytotoxizität der einzelnen Chemikalien und deren Einfluss auf intrazelluläre Energieniveaus, bevor der Einfluss auf die hepatozellulären Fetteinlagerungen im Detail untersucht wird. Unterstützt werden die Ergebnisse durch mikroskopische Bilder der Hepatozyten, welche die beschriebenen Effekte verdeutlichen. Insgesamt konnten folgende Thesen aufgestellt werden: • Zwischen primären Hepatozyten von Wildtyp- und Knockout-Mäusen, bestehen nach 24 stündiger Kultivierung Unterschiede bezüglich des intrazellulären Lipidgehaltes, welche sich nach 72 stündiger Kultivierungszeit nivellieren. • Metformin- und Fructoseinkubation senken den intrazellulären ATP-Gehalt, gleichzeitige Anwesenheit von Metformin und Glucose vermindern den Effekt. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten und Behandlung mit Metformin konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 40% gesenkt werden. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten mit Glucose konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 100% gesteigert werden. • Bei humanen Hepatomzellen (HuH7) konnte kein Metformin- und kein Glucoseeffekt beobachtet werden. • Der LXR-Agonist TO901317 wirkt auf den intrazellulären Lipidgehalt Metformin entgegen.

Der Hedgehog (Hh)-Signalweg ist an der Entstehung verschiedener Tumorentitäten beteiligt. Es wird vermutet, dass die Signalwegskomponente Patched (Ptch) physiologischerweise als Oxysterolpumpe dient und ein Molekül - vermutlich ein Vitamin D3 Derivat - sezerniert, welches den Hh Signalweg durch Bindung an das Transmembranprotein Smoothened (Smo) hemmt. Durch inaktivierende Ptch Mutationen wird die Sekretion dieses Moleküls vermutlich gestört, was zu einer Aktivierung des Signalwegs führt. Vorarbeiten lassen vermuten, dass es sich bei dem sezernierten Vitamin D3-Derivat um 1α,25(OH)2D3 (Calcitriol) handeln könnte. Da Calcitriol seine antitumorale Wirkung neben der Hemmung der Hh-Signalkaskade auch über die Aktivierung des Vitamin-D-Rezepor (Vdr) -Signalwegs vermitteln kann, sollten in dieser Arbeit mögliche Schnittpunkte der Hh-Signalkaskade, des Vdr-Signalwegs und des Calcitriol Metabolismus untersucht werden. Zunächst ergaben die Untersuchungen, dass Ptch-defiziente Rhabdomyosarkom Zellen, verglichen mit Wildtyp-Ptch Zellen, eine verminderte Calcitriol-Synthese aufweisen, die vermutlich durch eine herabgesetzte Aktivität der 1α Hydroxylase bedingt ist. Die dadurch verminderte Calcitriol Konzentration ist wahrscheinlich die Ursache der gleichzeitig erhöhten Hh Signalwegsaktivität in den Zellen. Dies bestätigten weitere Untersuchungen mit dem 1α Hydroxylaseinhibitor Itraconazol an Ptch-/- Zellen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Itraconazol mit Calcitriol hinsichtlich der Hemmung des Hh-Signalwegs kooperiert. Die verstärkte Hemmung ist aber unabhängig von einer Itraconazol-abhängigen Herabsetzung der 24 Hydroxylaseaktivität. Zudem zeigten die Untersuchungen, dass Calcitriol (neben der Aktivierung des Vdr Signalwegs) den Hh-Signalweg in Ptch / Zellen effizienter hemmt als Cyclopamin. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Calcitriol auch mit Cyclopamin bezüglich der Hemmung der Hh-Signalkaskade kooperiert. Weitere Untersuchungen bekräftigen die Hypothese, dass Calcitriol, ähnlich wie der bekannte Smo-Inhibitor Cyclopamin, an Smoothened (Smo) bindet. Daneben weisen die Untersuchungen darauf hin, dass 1α,25(OH)2D3 den Hh-Signalweg zusätzlich über einen nicht-kanonischen, Suppressor of fused-unabhängigen Weg hemmen könnte. Transfektionsuntersuchungen an Gli-Knock-Out-Zellen zeigten, dass Gli3 möglicherweise die Vdr-Expression und dadurch auch die Calcitriol/Vdr-vermittelte Proliferationshemmung von Calcitriol reguliert. Schließlich konnte im Tiermodell für BCC die antitumorale Wirkung von 100 ng/kg/d Calcitriol gezeigt werden. Die Studie zeigte die effektive Wirkung von Calcitriol, wenn die Substanz ab einem frühen Tumorstadium verabreicht wird. Daneben scheint die Dauer der Behandlung eine entscheidende Rolle für die antiproliferative in vivo Wirkung von Calcitriol zu spielen.

Hedgehog (Hh) est un morphogène conservé au cours de l’évolution, et qui est impliqué dans un grand nombre de processus développementaux. Ma thèse vise à comprendre comment la sécrétion, et la mise en place du gradient d’Hh sont régulées à partir de son site de production, en utilisant la drosophile comme modèle animal. Pour identifier les régulateurs positifs impliqués dans la maturation du signal Hh, nous avons conçu et réalisé un crible génétique couvrant l’ensemble du génome, par ARNs interférents (ARNi). Grâce à ce crible, nous avons identifié la petite protéine GTPase Rab8 qui serait impliquée spécifiquement dans le routage intracellulaire de Hh. Selon notre modèle proposé, la protéine Hh serait secrétée de 2 façons. Sa sécrétion du coté apical est nécessaire à l'activation de gènes cibles à longue distance, alors que sa sécrétion du coté baso-latéral permettrait l'activation de gènes cibles à courte distance. La façon par laquelle Hh est transportée de la membrane apicale à la membrane basale à l’intérieur des cellules productrices n’est pas connue. La perte de fonction de Rab8 dans les cellules productrices de Hh induit une augmentation de l’activation des gènes cibles à courtes distances, alors l’expression des gènes cibles activés à longues distances est réduite. De plus, en utilisant des expériences sur tissus vivant pour suivre la dynamique de l'internalisation de la protéine endogène d’Hh, nous avons constaté que la perte de Rab8 n'a pas d’effet sur sa sécrétion primaire, mais entraine des défauts dans l’endocytose de Hh, affectant, par la suite, la mise en place du gradient morphogénétique. / Hedgehog (Hh) is a conserved secreted morphogen involved in an array of developmental processes. Using Drosophila as a model, during my thesis we aimed to ask how the secretion, extraction and transport of Hh protein are regulated at the site of its production. To understand the positive regulators of Hh secretion and transport we designed and performed a genome-wide RNAi screen in Drosophila to identify new regulators of Hh transport and identified the small GTPase Rab8 as a novel component required for Hh trafficking. According to our proposed model, there are two pools of secreted Hh. The apical pool is needed for long range target gene activation, and basolateral pool for short range target gene activation. It is not clear how Hh is sorted apico-basally in the producing cells. Interfering with Rab8 function in the Hh producing cells extends Hh short range targets. Conversely, it reduces the long range Hh targets, suggesting that interfering with Rab8 function in the Hh producing cells impairs Hh trafficking, thus hampering the fine tuning between the two secreted pools of Hh. Moreover, using live assays to track the dynamics of endogenous Hh internalization, we observed that loss of Rab8 in Hh producing cells does not affect its primary secretion, but causes defects in Hh endocytosis, subsequently affecting its gradient activity. We hypothesize a model where Hh is targeted for primary secretion to the apical side of the wing disc, which then is internalized, and this internalized Hh is then directed for recycling which is essential for its long range activity.