L'incidence des maladies cardiovasculaires d'origine athéromateuse constitue un problème majeur en santé publique et malgré le développement de techniques curatives endovasculaires, la chirurgie demeure nécessaire chez de nombreux patients. La faible disponibilité des vaisseaux naturels, autologues ou non, et les limites mécaniques et biologiques des substituts artificiels pour le remplacement des vaisseaux de petit calibre, imposent le recours à une nouvelle science : l'ingénierie vasculaire. Ce concept a émergé et évolué depuis quelques années. Il pourrait permettre de proposer de nouveaux types de substituts vasculaires synthétiques et/ou biologiques, en particulier grâce à l'utilisation de cellules souches, ouvrant d'intéressantes perspectives dans le domaine de l'ingénierie vasculaire. Le but de ce travail a été d'obtenir de manière fiable et reproductible des cellules à phénotype endothélial mature à partir de cellules souches mésenchymateuses (CSMs) issus de la gelée de Wharton (GW) du cordon ombilical et de la moelle osseuse (MO). Cependant, la différenciation de ces cellules nécessite une fonctionnalisation de la surface de culture, et notre groupe a démontré l'avantage des films multicouches de polyélectrolytes, constitués de PAH (hydrochlorure de poly(allylamine)) et de PSS (poly(styrène sulfonate)), sur l'adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire. Les cellules ont été cultivées sur films (PAH-PSS)4 ou sur collagène de type I (témoin), en présence de facteurs de croissance angiogéniques. La différenciation en cellules endothéliales (CEs) a été suivie par l'expression des marqueurs endothéliaux (PCR et western blot), et la fonctionnalité par leur capacité à incorporer les lipoprotéines acétylées (Ac-LDLs) ainsi que la capacité à produire du monoxyde d'azote et à exprimé le facteur von Willebrand (vWF). Après 14 jours de stimulation, seules les CSM-GWs étaient différenciées en CEs fonctionnelles démontrant l'intérêt de combiner l'utilisation des CSM-GWs et des films (PAH-PSS)4 dans le domaine de l'ingénierie vasculaire / The incidence of cardiovascular disease remains a major public health problem. Despite the development of endovascular therapies, surgical treatment is necessary for many patients. The low availability of natural vessels, autologous or not, and the mechanical and biological limits of artificial substitutes, led to the use of a new domain: vascular engineering. In recent years, the concept has emerged and evolved. He could afford to offer new types of synthetic vascular substitutes and / or biological, in particular through the use of stem cells, offering interesting perspectives in the field of vascular engineering. The purpose of this study was to obtain a reliable and reproducible protocol to generate functional endothelial cells (ECs) from mesenchymal stem cells (MSCs) derived from the umbilical cord Wharton's jelly (WJ) and bone marrow (BM). Nevertheless, their differentiation into vascular cells needs a culture surface functionalization; our group demonstrated the potential use of polyelectrolyte multilayer made of poly(allylamine hydrochloride): PAH, and poly(styrene sulfonate): PSS, in promoting cells adhesion, proliferation and differentiation. Cells were cultured on (PAH-PSS)4 films or collagen type I (used as control), in the presence of angiogenic growth factors. Cells differentiation into EC was followed through the expression of endothelial markers (PCR and western blot); cell functionality was checked through their ability to incorporate acetylated LDL (Low Density Lipoprotein), to produce NO (Nitric oxide) and to express the von Willebrand factor (vWF). After 14 days of stimulation, only WJ-MSCs were able to generate functional ECs demonstrating the potential of combining WJ-MSCs and (PAH-PSS)4 films in vascular tissue engineering field

Les cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) sont des outils puissants pour explorer la genèse des différents tissus de l’organisme, notamment le tissu hématopoïétique. Dans le but d’obtenir des types cellulaires cliniquement utiles, la majorité des travaux se sont concentrés sur l’obtention des cellules hématopoïétiques terminales, notamment des cellules lymphoïdes (lymphocytes B, lymphocyte T et cellules NK), à partir des cellules souches pluripotentes humaines. En revanche, le rendement des cellules hématopoïétiques obtenues dans ce modèle reste faible. D’autre part, les étapes précoces de l’hématopoïèse, notamment l’identification de la cellule souche hématopoïétique (CSH), des progéniteurs myéloïdes et lymphoïdes à partir des cellules souches pluripotentes, sont encore très peu définies. Nous nous sommes intéressés aux étapes précoces de la lymphopoïèse dans le modèle des CSEh. Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle de l’homéoprotéine HOXB4 dans l’expansion des progéniteurs NK dérivés des CSEh. Nous avons montré que l’exposition des cellules des corps embryonnaires (EB pour Embryoid Body), dérivées de la différenciation des CSEh, à la lignée MS-5/SP-HOXB4, une lignée modifiée qui exprime constitutivement HOXB4, induit une expansion des progéniteurs NK dérivées des CSEh. De plus, les cellules NK qui en dérivent sont matures et fonctionnelles, de part leur activité cytolytique vis-à-vis d’une lignée érythro-leucémique (K562). Outre l’effet de HOXB4 sur l’expansion des progéniteurs NK, cette étude a permis de démontrer en particulier le rôle de la lignée stromale MS-5 dans l’induction de la spécification lymphoïde à partir des CSEh. Dans un deuxième temps, nous avons analysé plus précisément les étapes précoces de la lymphopoïèse humaine à partir des CSEh. En effet, nous avons montré, au cours de la première partie, que la coculture des cellules dérivées des EB avec MS-5 induit l’expression en surface du CD45RA, un marqueur de spécification lymphoïde, au sein des progéniteurs hématopoïétiques CD34+. Ainsi, sur la base de ces données et des données antérieurs concernant les étapes précoces de la lymphopoïèse humaine fœtale et adulte, nous avons identifié et caractérisé in vitro à partir des CSEh deux populations originales de progéniteurs lymphoïdes précoces multipotents (MELP pour Myeloid Early Lymphoid Progenitor): La progéniteur CD34+CD45RA+CD7+ dont le potentiel de différenciation est biaisé vers le lignage T et NK ; et le progéniteur CD34+CD45RA+CD7- a un potentiel de différenciation biaisé vers les lymphocytes B. Cette étude a un intérêt dans la compréhension du processus de la lymphopoïèse humaine dans le modèle des cellules souches pluripotentes. En perspective, ces données pourraient avoir également un intérêt dans la modélisation de maladie de défauts génétiques de développement du système lymphoïde. / Human embryonic stem cells (hESC) are powerful tools to explore tissue genesis of the organism, especially hematopoietic tissue. In order to obtain cellular types clinically useful, the majority of works have been focalised on final output of hematopoietic cells, especially lymphoid cells (lymphocyte B, lymphocyte T and NK cells), from human pluripotent stem cells. However, the obtained hematopoietic cells yield is very poor. In the other hand, initial steps of hematopoiesis, especially the identification of the hematopoietic stem cell, myeloid and lymphoid progenitors, from pluripotent stem cells, are poorly defined. We were interested to early steps of lymphopoisis in the hESC model. Initially, we studied the role of HOXB4 homeprotein on CSEh-derived NK progenitor. We showed that exposure of embryoid body (EB), derived from hESC, to the modified line that express constitutively HOXB4 “MS-5/SP-HOXB4”, induce hESC-derived NK progenitor expansion. Furthermore, the derived NK cells are mature and fonctionnal, by cytolytic activity on erythro-leucemic line K562. Furthermore the effect of HOXB4 on NK progenitor expansion, this study demonstrated, particularly the role of MS-5 line on the lymphoid specification from hESC.Secondly, we analysed more precisely the early steps of human lymphopoiesis from hESC. We showed, in the first part, that MS-5 coculture of the EB-derived cells induce surface expression of CD45RA (marker of lymphoid specification) on hematopoietic progenitor CD34+. Thus, on the basis of these data and previous data concerning the initial steps of fetal and adult lymphopoiesis, we identified and characterized in vitro from hESC, two populations of multipotent early lymphoid progenitor (MELP): the CD34+CD45RA+CD7+ progenitor whose the differentiation potential is biased to T and NK lineage, and the CD34+CD45RA+CD7- progenitor has differentiation potential biased to B lineage. This study is essential in understanding of normal and pathological lymphopoisis process in pluripotent stem cells model. Additionally, this study paves the way for the modeling of genetic disorders of lymphoid system.

L'ingénierie tissulaire consiste à assembler de façon intelligente des cellules et des matériaux biocompatibles dans le but de créer des tissus artificiels. Pour la construction de tissus en laboratoire, il est indispensable d'élaborer des matériaux qui miment cet environnement. Dans ce cadre, la collaboration entre les scientifiques de différents domaines (matériaux, chimie, biologie, biochimie) s'avère nécessaire. L'ingénierie du muscle squelettique est prometteuse pour remplacer le tissu musculaire endommagé et pour le traitement des maladies du muscle, mais aussi pour les essais pharmaceutiques. Dans ce but, les matériaux avec les propriétés mécaniques et chimiques contrôlées sont requis -- pour l'amplification et la différenciation in vitro de cellules souches musculaires, mais aussi pour l'étude de la myogenèse sur des microenvironnements contrôlés 2D et dans les matrices 3D. Dans ce travail, nous avons utilisé la technique d'assemblage couche par couche (LbL, layer-by-layer) pour deux buts. Le premier a été de développer de nouveaux films biomimétiques possédant des propriétés biochimiques et mécaniques parfaitement contrôlées, pour étudier les interrelations entre ces deux paramètres sur les processus cellulaires. En plus, nous avons associé ces films biomimetiques aux substrats avec la topographie contrôlée, afin de guider la formation du tissu. Dans un second temps, nous avons utilisé la technique LbL pour organiser les cellules en structures 3D. Nous avons ainsi crée des microtissus d'épaisseur contrôlée, qui pourraient être utilisés en tant que modèles de tissus artificiels pour les applications thérapeutiques ou pour les évaluations de médicament en industrie pharmaceutique. / Tissue engineering approach consists in combining cells, engineering and biomaterials to improve the biological functions of damaged tissues or to replace them. Production of “artificial tissues” is still challenging and requires collaboration of scientists from different domains like cell biology, chemistry, materials and polymer science. Skeletal muscle tissue engineering holds promise for the replacement of muscle due to an injury and for the treatment of muscle diseases, such as muscle dystrophies or paralysis, but is also required for pharmaceutical assays. To this end, materials with tunable mechanical and biochemical properties for myoblast expansion and differentiation in vitro, as well as for the studies of myogenesis on controlled 2D microenvironments or in 3D scaffolds, are crucially needed. In this work, we use layer-by-layer (LbL) assemblies for two goals. The first consisted in the development of multifunctional biomimetic thin films for the control of skeletal muscle cell fate on 2D substrates. We use LbL films made of polypeptides, which can be stiffened by chemical cross-linking and can be specifically functionalized by grafting of biomimetic peptides onto their surface. In addition, we combined the peptide-grafted films with substrate microtopography. Such approach is promising for the development or multifunctional materials that combine the different stimuli present in in vivo ECM, among them physical and biochemical cues, but also microtopography. In the second part, we use LbL assemblies for the construction of 3D skeletal muscle microtissues. This allows to rapidly build 3D muscle tissues and is promising for the in vitro construction of physiologically relevant skeletal muscle tissue models.

Le diabète de type 1 (DT1) est caractérisé par des niveaux élevés de glucose en raison de la destruction des cellules ß pancréatiques sécrétrices d'insuline. Cependant, les thérapies actuelles de remplacement des cellules bêta du pancréas impliquant la transplantation d'îlots pancréatiques sont techniquement difficiles et limitées par la disponibilité de don d'organes. Bien que les cellules souches embryonnaires et les cellules souches pluripotentes induites soient intensément étudiées, aucune de ces deux sources de cellules souches ne peut être utilisée directement sans le risque de développement de tumeurs. Les cellules souches dérivées du muscle squelettique (MDSC) sont une source de cellules alternative intéressante car elles sont multi-potentes et peuvent donc se différencier vers plusieurs lignages cellulaires tels que des cellules cardiaques à battement autonome “pacemaker-like” et des cellules neuronales. Par conséquent, nous avons émis l'hypothèse qu'elles pourraient se différencier en lignées de type pancréatique. Les objectifs de cette étude étaient donc d'étudier le potentiel des MDSC (1) à se différencier in vitro en cellules beta pancréatiques exprimant l'insuline et (2) à se différentier in vivo dans le pancréas et ainsi réduire l'hyperglycémie chez la souris modèle d'un diabète de type 1. Dans cette étude, les MDSC de muscle de souris ont été isolées via une série de passages des cellules les moins adhérentes en culture. Les cellules souches ainsi isolées peuvent adhérer sur une couche de cellules de types fibroblastes ou sur une matrice extra-cellulaire de type laminine pour ensuite se différentier in vitro ou bien être utilisées comme cellules souches MDSC non-adhérentes et non différentiées pour les études in vivo. In vitro, les MDSC peuvent se différencier spontanément en agrégats de cellules formant des îlots et exprimant des marqueurs de cellules bêta identifiés par immunofluorescence et analyse “PCR transcription inverse”. Ceci a été confirmé par immuno-analyse montrant l'expression des protéines nécessaires à la fonction des cellules ß, comme Nkx6.1, MafA et Glut2. Les MDSC différenciées en aggrégats cellulaires de type îlots pancréatiques montrent une sécrétion d'insuline en réponse au glucose in vitro. Cependant, dans des modèles murins de DT1 induit par la streptozotocine, l'injection intra-péritonéale des MDSC n'a pas permis de rétablir chez les souris diabétiques une normoglycémie du glucose sanguin en dépit d'un engreffement des MDSC dans les tissus pancréatiques. Ces données montrent que les MDSC peuvent constituer une source de cellules souches alternative intéressante pour le traitement du diabète. / Type 1 Diabetes (T1D) is characterized by high and poorly controlled glucose levels due to the destruction of insulin-secreting pancreatic ß-cells. However, current ß-cell replacement therapies, involving pancreas and pancreatic islet transplantation are technically demanding and limited by donor availability. While embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells are intensely investigated, neither can be used due to safety issues. Skeletal muscle-derived stem cells (MDSC) are an attractive alternative cell source as they have the potential to undergo multilineage differentiation into beating pacemaker-like cells and neuronal cells. Hence, it is hypothesised that they can differentiate into pancreatic lineages. This led to the goals of this study, which were (1) to investigate the potential of MDSC to differentiate into mature insulin expressing cells in vitro and (2) to reduce hyperglycemia in mouse model type 1 diabetes. In this study, MDSC were isolated from mouse via a serial pre-plating based on the adhesive characteristics of cultured cells, in which the cells of interest adhered to plates at a later time for in vitro differentiation, while the non-adherence undifferentiated MDSC were used for in vivo study. The MDSC were found to spontaneously differentiate into islet-like aggregates and expressed ß-cell markers in vitro, as determined by immunofluorescence and reverse transcription PCR analyses. This was further confirmed by immunoblotting analysis showing expression of proteins required for ß-cell function, such as Nkx6.1, MafA and Glut2. The differentiation of MDSC into islet-like clusters demonstrated glucose responsiveness in vitro. In streptozotocin-induced T1D mouse models, intraperitoneal injection of the undifferentiated MDSC did not restore the blood glucose levels of the diabetic mice to normoglycemia despite successful engraftment of MDSC into the pancreatic tissues. Taken together, these data show that MDSC may serve as an alternative source of stem cells for the treatment of diabetes.

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

Les phosphates de calcium tels que le β-TCP sont utilisés depuis des décennies comme substitut osseux synthétique. Leurs bonnes propriétés chimiques et leur comportement analogue au tissu osseux in vivo et in vitro peuvent être améliorés par la technique de mise en forme employée. Il est aujourd'hui largement admis qu'une architecture poreuse optimisée aura un impact positif sur la bioactivité du matériau. Cette étude vise à étudier les liens existant entre une structure macroporeuse en β-TCP et la prolifération et différenciation cellulaire. Le β-TCP est fabriqué par précipitation aqueuse. Les paramètres de synthèse sont optimisés afin d'avoir un produit répondant aux normes ISO 13175 et 13779. Trois méthodes de mise en forme ont été choisies pour leur aptitude à générer une macroporosité originale. L'imprégnation d'une structure polymérique par une suspension génère un réseau de pores sphériques (PS), la stéréolithographie génère des pores cubiques interconnectés (3D) et la congélation orientée produit un réseau de pores tubulaires ellipsoïdaux parallèles au sens de la congélation (CO). Deux tendances émergent des cultures de cellules souches mésenchymateuses humaines: PS et 3D favorisent la prolifération alors que CO favorise la pénétration cellulaire et l'activité de la phosphatase alcaline. Cette dernière est favorisée par le β-TCP et cette aptitude est améliorée par la congélation orientée. Cela pourrait s'expliquer par l'état d'avancement de la différenciation cellulaire: les cellules sur les échantillons CO semblent être à un stade de différenciation plus avancé. Des essais complémentaires sur l'expression de gènes clés sont en cours pour vérifier cette hypothèse. / Calcium phosphates such as β-TCP have been used for decades as synthetic bone substitutes. Its good chemical properties and its similar behavior to that of the bone in vivo and in vitro can be enhanced by the chosen shaping method. It is nowadays largely accepted that an optimized porous architecture will have a positive impact on the material's bioactivity. This study aims at studying the links between a porous architecture and cell proliferation and differentiation. β-TCP was manufactured by aqueous precipitation. Synthesis parameters were optimized in order to get a product complying with ISO 13779 and 13175 requirements. Three shaping methods were chosen for their ability to generate original structures. The impregnation of a polymeric scaffold yields a network of interconnected spherical pores (PS), stereolithography yields a network of interconnected cubical pores (3D) and ice templating yields a network of parallel ellipsoidal channel-like structure (CO). Two different trends emerged from the human mesenchymal stem cell culture: PS and 3D favored cell proliferation whereas CO promoted cell penetration and alkaline phosphatase activity. The latter is stimulated by β-TCP and this ability is enhanced by freeze casting. This could be explained by the state of cell differentiation: cells on CO samples seem to be far more differentiated than the other ones. However the study of key genes expression is needed to confirm this hypothesis.

L'infection d'un organisme par un agent pathogène déclenche l'activation des lymphocytes T-CD8 et l'initiation de la réponse immunitaire. Il s'ensuit un programme complexe de prolifération et de différenciation des lymphocytes T-CD8, contrôlé par l'évolution de leur contenu moléculaire. Dans ce manuscrit, nous présentons deux modèles mathématiques de la réponse T-CD8. Le premier se présente comme une équation différentielle à impulsions grâce à laquelle nous étudions l'effet du partage inégal des protéines lors des divisions cellulaires sur la régulation de l'hétérogénéité moléculaire. Le second est un modèle à base d'agents couplant la description d'une population discrète de lymphocytes T-CD8 à celle du contenu moléculaire de ces derniers. Ce modèle s'avère capable de reproduire les différentes phases caractéristiques de la réponse T-CD8 aux échelle cellulaire et moléculaire. Ces deux travaux supportent l'hypothèse que la dynamique cellulaire observée in vivo est le reflet de l'hétérogénéité moléculaire qui structure la population de lymphocytes T-CD8 / Infection of an organism by a pathogen triggers the activation of the CD8 T-cells and the initiation of the immune response. The result is a complex program of proliferation and differentiation of the CD8 T-cells, controlled by the evolution of their molecular content. In this manuscript, we present two mathematical models of the CD8 T-cell response. The first one is presented as an impulsive differential equation by which we study the effect of unequal molecular partitioning at cell division on the regulation of molecular heterogeneity. The second one is an agent-based-model that couples the description of a discrete population of CD8 T-cells and that of their molecular content. This model can reproduce the different typical phases of the CD8 T-cell response at both the cellular and the molecular scales. These two studies support the hypothesis that the cell dynamics observed in vivo is a consequence of the molecular heterogeneity structuring the CD8 T-cell population

Le glufosinate d’ammonium (GLA) est un herbicide organophosphoré couramment utilisé en agriculture. De nombreux cas d’ingestions intentionnelles ont mis en évidence sa neurotoxicité. Cependant, ses effets sur le neurodéveloppement ne sont peu étudiés. En effet, le cerveau est une cible importante du GLA en raison de son homologie de structure avec le glutamate, principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central. Des résultats précédents du laboratoire ont permis de montrer qu’une exposition périnatale à de faibles doses de GLA induisait des perturbations de la neurogenèse et de la migration des neuroblastes au niveau de la zone sous ventriculaire vers les bulbes olfactifs. Ces modifications sont associées à l’apparition de troubles du spectre autistique dans la descendance. Ma thèse s’inscrit dans la continuité de ses travaux en abordant les aspects cellulaires et moléculaires mis en jeux lors d’une exposition précoce au GLA. Etant donné que dans la vie de tous les jours, nous sommes continuellement exposés aux pesticides mais également à leurs métabolites, j’ai étudié en parallèle les effets du principal métabolite du GLA, l’acide 4-méthylphosphinyl-2-oxo-butanoïque (PPO).Le premier travail de ma thèse a été de développer un protocole in vitro de culture primaire de cellules souches neurales issues de la zone sous-ventriculaire de souris pour l’analyse des effets neurotoxiques du GLA et du PPO. Les résultats de la première étude de ma thèse montrent une induction d’un stress oxydatif lié impliquant le système glutamatergique et associé à une perturbation de l’homéostasie calcique. Etant donné que les cellules souches neurales sont sensibles aux effets d’un stress oxydatif, dans une seconde étude, j’ai étudié l’impact de ces effets sur les mécanismes de différenciation cellulaire des cellules souches neurales. Mes résultats indiquent un effet significatif d’une exposition au GLA et au PPO sur la formation et le maintien de la niche neurogénique sous-ventriculaire in vitro. Le GLA et le PPO interfèrent avec la formation de l’épithélium épendymaire et induisent une perturbation dans la différenciation neurogliale des cellules souches neurales, sans influencer leur capacité de croissance ou de prolifération.L’ensemble des données de cette thèse mettent l’accent sur l’intérêt d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires liés à la neurotoxicité des substances actives des pesticides, des métabolites de ces mêmes pesticides, mais également des mélanges substances actives-métabolites auxquels nous sommes continuellement exposés dans notre environnement. / The glufosinate-ammonium (GLA) is an organophosphorus herbicide commonly used in agriculture. Many cases of intentional ingestions have highlighted its neurotoxicity. However, its effects on neurodevelopment are not well studied. Indeed, the brain is an important target of GLA due to its structural homology with glutamate, the main excitatory neurotransmitter of the central nervous system. Our previous data are shown that a perinatal exposure to low doses of GLA induces disturbances in neurogenesis and in neuroblasts migration from the subventricular zone to the olfactory bulbs. These changes are associated with the development of autism spectrum disorders in the offspring. My thesis is in the continuity of his work and addresses the cellular and molecular aspects involved in early exposure to GLA. Since we are continuously exposed to pesticides, but also to their metabolites, I studied in parallel the effects of the main metabolite of GLA, the 4 methylphosphinyl-2-oxo-butanoic acid (PPO).The first work of my thesis was to develop an in vitro protocol for the primary culture of neural stem cells from the subventricular zone of mice, for the analysis of the neurotoxic effects of GLA and PPO. The results of the first study of my thesis showed an induction of related oxidative stress involving the glutamatergic system, and associated with a disruption of calcium homeostasis. Since neural stem cells are sensitive to the effects of oxidative stress, in a second study, I studied the impact of these effects on the cellular differentiation mechanisms of neural stem cells. My results indicated a significant effect of exposure to GLA and PPO on the formation and maintenance of the subventricular neurogenic niche in vitro. GLA and PPO interfere with the formation of ependyma and induce a disruption in the neuroglial differentiation of neural stem cells, without influencing their growth or proliferation capacity.All these data highlight on the interest of studying the cellular and molecular mechanisms linked to the neurotoxicity of the active substances of pesticides, the metabolites of these same pesticides, but also the mixtures of active substances and metabolites to which we are continuously exposed in our environment.

La poly(ADP-ribosyl)ation est une modification post-traductionnelle de protéines catalysée par les Poly(ADP-ribose) polymérases (PARPs, 17 membres). Depuis 2011, le laboratoire décortique les propriétés biologiques de PARP3 qui est désormais bien décrite pour son rôle dans la réparation des cassures double-brin de l’ADN, la mitose et la transition épithélio-mésenchymateuse. Ces recherches combinées aux données de la littérature semblent indiquer que les fonctions de PARP3 sont très étendues et participent aussi à des processus physiologiques. Ainsi, mes travaux de thèse révèlent une nouvelle fonction clé de PARP3 dans la différenciation des cellules souches neurales et musculaires. Nous avons observé une forte augmentation de l’expression de PARP3 au cours de la neurogénèse, la gliogenèse et la myogénèse. En l’absence de PARP3, la différenciation des cellules souches neurales (NSPC) en astrocytes et neurones est perturbée et les souris PARP3KO présentent une incapacité à régénérer le tissu cérébral au niveau du striatum après ischémie hypoxique. Concernant les cellules musculaires, la disruption de PARP3 (Crispr/Cas9) empêche toute différenciation des myoblastes C2C12 en myotubes et conduit à une désoganisation du cytosquelette, une dégénérescence mitochondriale et une répression de gènes de l’identité. La réexpression de PARP3 catalytiquement active restaure la capacité de différenciation des C2C12. Enfin, nous avons identifié de nouvelles protéines cibles de PARP3 qui permettent de suspecter un rôle dans l’autophagie et le métabolisme énergétique au cours de la différenciation cellulaire. L’ensemble de ces résultats nous ont permis de découvrir que PARP3 a un rôle central dans la différenciation cellulaire et d’ouvrir de solides pistes de recherche afin d’identifier les mécanismes mis en jeu. / Poly (ADP-ribosyl)ation is a post-translational modification of proteins catalysed by Poly (ADP-ribose) polymerases (PARPs, 17 members). Since 2011, the laboratory has been dissecting the biological properties of PARP3 which is now well described for its role in the repair of DNA double-strand breaks, in mitosis and in epithelial-mesenchymal transition. This investigation combined with data from the literature suggests that PARP3 functions are very wide and could participate in physiological processes. Thus, my thesis work reveals a new key function of PARP3 in neural and muscular stem cell differentiation. We observed a strong increase in PARP3 expression during neurogenesis, gliogenesis and myogenesis. In the absence of PARP3, the differentiation of neural stem cells (NSPCs) into astrocytes and neurons is impaired and PARP3KO mice display an inability to regenerate brain tissue in the region of the striatum after hypoxic ischemia. Regarding muscle cells, PARP3 disruption (Crispr/Cas9) prevents C2C12 myoblast differentiation into myotubes and leads to cytoskeleton disorganisation, mitochondrial degeneration, and repression of identity genes. The reexpression of a catalytically active PARP3 restores the C2C12 differentiation capacity. Finally, we have identified new PARP3 target proteins that suggest a role in autophagy and energetic metabolism during cell differentiation.Together, these results reveal that PARP3 has a central role in cell differentiation and opens solid lines of research to identify the mechanisms involved.

Dans la première partie de cette thèse effectuée en collaboration avec le groupe expérimental de C. Chazaud (Clermont Université), nous avons étudié théoriquement un processus de différenciation cellulaire intervenant avant l’implantation de l’embryon dans l’utérus. Il s’agit de la spécification des cellules de la masse cellulaire interne (MCI) en épiblaste (EPI) et en endoderme primitif (EPr), processus dans lequel les facteurs de transcription Nanog et Gata6 jouent un rôle essentiel. En effet, en absence de Nanog, les cellules de la MCI acquièrent toutes une identité EPr, tandis qu’en absence de Gata6, elles se différencient toutes en EPI. De plus, la voie de signalisation Fgf/Erk active l’expression de Gata6 et inhibe celle de Nanog. Enfin, Nanog active la sécrétion dans le milieu extracellulaire de Fgf4, une molécule qui active la voie de signalisation Fgf/Erk en se liant au FgfR2. Nous avons développé un modèle mathématique pour ce réseau de régulations, fondé sur des équations différentielles ordinaires décrivant l’évolution temporelle des niveaux de protéines Nanog, Gata6, Fgf4 et Fgfr2 et de l’activité de la voie Fgf-Erk. Nous avons validé ce modèle en montrant qu’il récapitule les résultats expérimentaux obtenus in vivo, dans les embryons wild-type et dans les mutants Nanog-/- et Gata6-/-. De plus, l’analyse des résultats du modèle permet de proposer un nouveau mécanisme pour l’émergence d’une population mixte de cellules EPI et EPr au sein de la MCI. Ce mécanisme repose sur le fait que le système décrit par notre modèle peut présenter trois états stationnaires stables, dont les niveaux d’expression de Nanog et Gata6 correspondent à l’EPI, l’EPr et la MCI non-différenciée, respectivement. De plus, le modèle a été utilisé afin d’interpréter des résultats expérimentaux récents et contre-intuitifs, concernant les embryons hétérozygotes Gata6+/-. Enfin, nous avons établi des prédictions théoriques, dont certaines ont été ultérieurement vérifiées en laboratoire. <p>Dans la seconde partie de la thèse, effectuée dans le laboratoire d’O. Pourquié (Université de Strasbourg), nous avons étudié un processus de différenciation in vitro, par une approche expérimentale. Il s’agit de la différenciation des cellules souches embryonnaires (ES) en cellules de mésoderme paraxial, un tissu dont dérivent –au cours du développement embryonnaire– les cellules formant notamment les vertèbres, les côtes, la peau et les muscles squelettiques du dos.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished