La voie de signalisation activée par la protéine Sonic Hedgehog (Shh) est connue pour son rôle majeur au cours de l’embryogenèse et en particulier dans la prolifération et la spécification cellulaire ou encore le guidage axonal au cours de l’établissement des structures du système nerveux. Depuis quelques années, ce morphogène a aussi été identifié comme un régulateur important de plusieurs processus physiologiques du cerveau adulte comme le maintien de la neurogenèse ou la régulation de l’activité électrique de certains neurones (Traiffort et al., 2010). La suractivation de la voie Shh dans un cerveau sain entraine une augmentation significative de la prolifération des cellules progénitrices des oligodendrocytes (OPCs), la source des oligodendrocytes matures, les cellules responsables de la formation des gaines de myéline (Loulier et al., 2006). Au cours de ma thèse, j’ai étudié le potentiel que représente l’activation de la voie Shh dans la régulation de ces progéniteurs dans un contexte de démyélinisation. Pour cela, j’ai utilisé une souris transgénique plp-GFP, chez laquelle la protéine fluorescente verte est exprimée par les cellules du lignage oligodendrocytaire. Après avoir caractérisé le profil d’expression de la GFP dans le cerveau mature de ces souris, j’ai mis au point un modèle de démyélinisation focale par injection stéréotaxique d’un détergent spécifique de la myéline, la lysolécithine (LPC). J’ai identifié les cellules du lignage oligodendrocytaire comme source directe de protéines Shh au sein de la lésion à un temps très précoce après l’injection de LPC. Les gènes cibles de la voie Shh sont aussi fortement induits dans cette population cellulaire à une période plus tardive, correspondant à la différenciation des OPCs en cellules matures. L’utilisation d’adénovirus codant soit pour Shh lui-même soit pour son antagoniste physiologique Hip, m’a permis de réaliser des expériences de gain et de perte de fonction et ainsi d’analyser comment la modulation de la voie Shh peut influencer sur le processus de régénération des oligodendrocytes suite à une lésion. La surexpression de Shh permet d’augmenter la prolifération des OPCs mais aussi d’accélérer leur différenciation, aboutissant à un nombre plus élevé d’oligodendrocytes matures plus précocement au cours du processus de remyélinisation. De plus, il est intéressant de constater que la densité des cellules astrocytaires et microgliales, notamment associées au processus inflammatoire, diminue dans la lésion chez les animaux ayant reçu l’adénovirus Shh comparés au animaux contrôles. A l’inverse, le blocage de la voie induit l’arrêt complet de la production de nouveaux oligodendrocytes. Au-delà de l’amélioration de notre compréhension de la physiologie et de la régulation du lignage oligodendrocytaire dans le cerveau adulte, l’ensemble de ce travail montre de quelle manière la voie Shh peut représenter une nouvelle piste dans la recherche de cibles thérapeutiques dans les affections de la myéline telles que la sclérose en plaques. / The Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway is known for its role during embryogenesis and in particular for controlling cell proliferation and specification, as well as axon guidance. In recent years, this morphogen has also been identified as an important regulator of several physiological processes in the adult brain such as the maintenance of neurogenesis or the regulation of the electrophysiological propreties of mature neurons (Traiffort et al., 2010). Overactivation of the Shh pathway in a healthy brain causes a significant increase in the proliferation of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs), the source of mature oligodendrocytes, the cells responsible for the formation of myelin sheaths (Loulier et al., 2006).In my thesis, I studied the effects of the Shh pathway activation on OPC regulation in the context of demyelination. To that purpose, I used a plp-GFP transgenic mouse, in which the green fluorescent protein (GFP) is expressed by cells belonging to the oligodendrocyte lineage. After characterization of the expression pattern of GFP in the mature brain of these mice, I developed a model of focal demyelination by stereotaxic injection of lysolecithin (LPC). I identified the oligodendrocyte lineage cells as a source of Shh protein within the lesion, soon after the LPC injection. Target genes of the Shh pathway are also strongly induced in this cell population, at a time corresponding to the differentiation of OPCs into mature cells. The use of adenoviral vectors encoding either Shh itself or its physiological antagonist Hip allowed me to conduct gain- and loss-of-function experiments. This way I could analyze how the modulation of Shh pathway may influence the regeneration ofoligodendrocytes after injury. Shh overexpression increases the survival and proliferation of OPCs but also accelerates their differentiation, resulting in a higher number of mature oligodendrocytes earlier during the remyelination process. In addition, the density of astrocytes and microglia, associated with the inflammatory process, is decreased in animalsreceiving the Shh adenoviral vector compared to control animals. Altogether these effects are associated with a reduction of the lesion. Conversely, blocking the pathway induced a complete arrest of new oligodendrocyte production. Besides the fundamental knowledge gained about the molecular mechanism involved in the oligodendroglial precursor cells survival, proliferation, differentiation and myelin repair in vivo, this project should also give valuable insights concerning the potential use of pharmacological modulators of Shh signaling as a novel therapeutic approach for the treatment of multiple sclerosis and other myelin diseases.

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.

La voie de signalisation du morphogène Sonic Hedgehog (Shh) met en jeu des processus complexes étudiés, jusque là principalement, au cours du développement embryonnaire, où Shh est primordial pour le développement du tissu nerveux. Shh transmet son action via le complexe-récepteur Patched/Smoothened (Ptc/Smo) et le facteur de transcription Gli1, et interagit avec la glycoprotéine Hip (Hedgehog interacting protein) proposée comme antagoniste des protéines Hedgehog. Des analyses biochimiques ont permis de montrer qu'en plus de la forme membranaire, une forme soluble de Hip existe, notamment dans le cerveau adulte, et inhibe la voie de signalisation Shh in vitro. Par ailleurs, une cartographie de Hip dans le cerveau de souris embryonnaire (E13.5) et adulte supporte l'hypothèse que Hip interviendrait dans la régulation négative de la voie Shh. Enfin l'expression de Hip dans des cellules exprimant l'enzyme de synthèse de l'oxide nitrique (NO) dans le cerveau mature suggère des interactions entre les voies de signalisation impliquant respectivement Hip et le neuromédiateur gazeux NO. Pour étudier le rôle de Shh in vivo sur les progéniteurs neuraux du cerveau mature, la protéine recombinante ShhN a été injectée par stéréotaxie dans le ventricule latéral (VL) de souris adultes. En plus d'une forte activation de la voie Shh, reflétée par l'augmentation de la transcription de Ptc et Gli1 dans plusieurs régions cérébrales, telles que la zone sous ventriculaire (ZSV), le striatum, le septum latéral, le corps calleux et le cortex cérébral, le nombre de cellules ayant incorporé le marqueur de prolifération Bromodésoxyuridine (BrdU), est augmenté d'un facteur 3-4 dans le corps calleux et le cortex cérébral des souris ayant reçu la protéine Shh en comparaison avec des souris contrôles. Une telle augmentation n'a pas été observée dans la ZSV, une aire de neurogenèse majeure chez l'adulte. Par ailleurs, deux jours après l'injection de ShhN, un nombre significativement plus important de cellules en prolifération exprimant le protéoglycan membranaire NG2, marqueur des précurseurs oligodendrocytaires, est observé dans le cortex cérébral des souris ayant reçu la protéine ShhN. Afin d'analyser l'effet à long terme de la surexpression continue de la protéine Shh, un vecteur adénoviral Ad5-hShh-ires-eGFP destiné à exprimer la forme humaine de la protéine Shh a été développé puis caractérisé in vitro. Ce vecteur a ensuite été délivré dans le VL de cerveau de souris adultes et quatre jours après, la protéine Shh a été détectée dans les régions épendymaire et subépendymaire. Vingt-six jours après l'injection du vecteur Ad5-hShh-ires-eGFP, la voie Shh est toujours active comme révélé par la présence de nombreuses cellules exprimant le transcrit Gli1 dans plusieurs aires cérébrales. Une augmentation de 50% du nombre de cellules BrdU+ exprimant le marqueur oligodendroglial dm20+ est détectée dans le cortex cérébral et le corps calleux des souris ayant reçu le vecteur adénoviral Ad5-hShh-ires-eGFP par rapport aux souris ayant reçu le vecteur contrôle Ad5-eGFP. Dans leur ensemble, ces résultats suggèrent la capacité de la voie Shh à stimuler les cellules oligodendrocytaires pré-matures dans plusieurs régions du cerveau de rongeurs adultes. La modulation de cette voie apparaît donc potentiellement intéressante pour le traitement des maladies affectant le lignage oligodendrocytaire.

Les mouvements morphogénétiques se caractérisent, au niveau tissulaire, par une succession de dynamiques cellulaires, précisément agencées temporellement et spatialement. Ce travail de thèse vise à étudier, par la modélisation mathématique, comment les mouvements morphogénétiques globaux s'expliquent par l'intégration des dynamiques cellulaires locales (prolifération, migration, différenciation,...). Le tissu est modélisé par un système multi-agents où chaque cellule est individualisée. Cette structure est couplée avec un système d'équations aux dérivées partielles qui décrit un contrôle chimique global. <br /> <br />Cette méthode a été appliquée principalement à la croissance radiale secondaire des conifères qui est générée par divisions et croissances successives des cellules d'un tissu spécialisé nommé cambium. Le cambium est modélisé par un système dynamique discret. Un modèle continu aux dérivées partielles rend compte du transport d'une hormone dont la concentration contrôle les taux de croissance des cellules cambiales. <br /> <br />La croissance radiale est un mouvement morphogénétique essentiellement régi par la prolifération cellulaire. Nous avons également considéré l'invagination épithéliale où dominent la migration et la déformation cellulaire. Nous avons enfin étudié l'importance des relations de voisinage dans les processus de différenciation.

Les multicouches de polyelectrolytes, systèmes auto-assemblés par adsorption successive de polycations et de polyanions, constituent un matériau d’intérêt pour la fonctionnalisation de surface. Ce type de revêtement possède toutefois quelques limitations majeures : leur construction est lente et fastidieuse ; leur tenue mécanique et chimique est faible. Récemment, une méthode basée sur l’auto-construction de films par l’utilisation d’un morphogène, i.e. un gradient de catalyseur généré depuis une surface, a été développé permettant ainsi une rapide construction de revêtements robustes. Cette technique reste toutefois limitée à des systèmes particuliers basés sur la chimie click ou sur des interactions hôtes-invités. Nos travaux ont permis de diversifier cette approche de construction tout-en-un par l’utilisation de morphogènes. Dans un premier temps, des brosses de polymères ont été construites en une étape depuis une surface par la réaction de polymérisation ATRP. Cette réaction a été catalysée par la formation d’ions Cu(I) (le morphogène) par électrochimie depuis la surface de travail. L’approche morphogénique a également été utilisée afin de construire des films de polyélectrolytes et de polyampholytes en une étape par la génération électrochimique d’un gradient de protons (le morphogène) depuis la surface de travail. Ces films ont été fonctionnalisés pour présenter une activité enzymatique. / Polyelectrolyte multilayers, i.e. self-assembled systems based on successive polycation and polyanion adsorptions, constitute interesting materials for surface functionalization. These coatings possess several limitations: they are weak towards chemical and mechanical constraint and their buildup is long and tedious. Recently, a new method based on the self-construction of films by the means of a morphogen (a catalyst gradient generated from a surface) has attracted attention since it allows the quick self-assembly of robust films. Nevertheless, this technique was quite limited to peculiar systems based on click chemistry or on host-guest interactions.This present work generalize the one-pot morphogenic approach to other systems. In the first place, polymer brushes were built up from a surface by ATRP polymerization. The Cu(I) catalyst (the morphogen) was electrochemically generated at the interface.The morphogenic approach was later used to buildup polyelectrolytes and polyampholyte films in a one-pot manner by electrochemically generating protons (the morphogens) at the interface. These films exhibited an enzymatic activity.

Au fil des siècles, de nombreux cours d’eau ont été régulés par des barrages pour assurer différents besoins tels que la gestion des inondations, la production d’énergie hydro-électrique, l’irrigation, l’approvisionnement en eau potable, etc. Aujourd’hui, dans le tiers nord de la planète, 77% des cours d’eau sont concernés par la présence de ces ouvrages et de très nombreux ouvrages sont en cours de construction ou prévus dans les prochaines décennies. Les impacts des barrages, notamment ceux dont les réservoirs sont les plus volumineux, sont aujourd’hui bien connus. Leur influence, plus ou moins prononcée, peut notamment affecter les crues (débits, fréquence, pointe et durée), ce qui entraine de facto une modification de l’occurrence du « débit morphogène » naturel dans les tronçons situés en aval. Il en résulte une morphologie et une dynamique fluviales modifiées, avec des Incidences sur la biologie et les usages. Afin d’améliorer, voire de restaurer le bon fonctionnement des milieux aquatiques et rivulaires, il est de plus en plus souvent demandé aux gestionnaires de barrages de générer des débits élevés, dits « morphogènes », depuis leurs ouvrages. Ce travail de thèse s’est attaché dans un premier temps à clarifier les concepts de débits, lâchers et écoulements « morphogènes ». Il a été proposé une nouvelle terminologie s’intégrant dans le contexte plus large des débits environnementaux et des débits écologiques (environmental et ecological flows). Dans un second temps, les précédents travaux et les expérimentations menées sur la Durance, la Selves et l’Isère, ont fourni des éléments pour construire une méthodologie de mise en œuvre de lâchers morphogènes dans le cadre d’une gestion adaptative. Cette méthodologie opérationnelle repose sur une série d’étapes successives découlant d’un diagnostic préalable. Elle permet de déterminer les paramètres nécessaires au dimensionnement, d’identifier les contraintes et de définir les résultats attendus (compartiments visés, ordres de grandeurs des processus, etc.) pour évaluer l’efficience de l’opération. Enfin, grâce à la mise en œuvre d’indicateurs de déclenchement, elle fournit des éléments d’évaluation pour décider de renouveler, d’améliorer ou non le lâcher. / Over the centuries, many rivers have been regulated by dams to meet various needs such as flood management, hydropower production, irrigation, drinking water supply, etc. Today, in the northern third of the planet, 77% of watercourses are affected by dams and a very large number are under construction or planned in the coming decades. The impacts of dams, particularly those with the largest reservoirs, are now well-known. Their influence, more or less pronounced, can affect floods (flow, frequency, peak and duration), which results in a change of the occurrence of the natural "channel morphing discharge" in the downstream reaches. The result is a modified river morphology and dynamics, with impacts on biological communities and uses. In order to improve/restore aquatic and riparian environments, dam managers are increasingly being asked to generate high flows, known as "flushing flows” or “ecomorphogenic flows”, from their dams.This thesis focuses initially on clarifying the concepts of discharge, water release, and "ecomorphogenic flows”. A new terminology has been proposed that fits into the broader context of “environmental flows” and “ecological flows”. In a second step, previous works and experiments carried out on the Durance River, the Selves River and the Isère River provided elements to build a methodology for implementing ecomorphogenic flow releases as part of adaptive management. This operational methodology is based on a series of successive steps resulting from a preliminary diagnosis. It makes it possible to determine the parameters necessary for designing releases, identifying constraints and defining expected results (target compartments, orders of magnitude of process, etc.) to evaluate the efficiency of the operation. Finally, through the implementation of trigger indicators, it provides evaluation information to decide whether to renew, or improve releases or to replace them with other management actions.