Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les deux nucléotides cycliques, AMPc et GMPc, sont des seconds messagers importants qui régulent une grande variété de fonctions cellulaires, en particulier la fonction contractile cardiovasculaire, la croissance des cardiomyocytaires et la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires. Les phosphodiestérases (PDE) dégradent les nucléotides cycliques et exercent un contrôle local de leur concentration intracellulaire. Une altération de la voie de signalisation des nucléotides cycliques est impliquée dans plusieurs situations pathologiques telles que l’hypertension artérielle systémique ou pulmonaire, l’athérosclérose et l'hypertrophie cardiaque. Ainsi, les PDE constituent de puissantes cibles thérapeutiques pour restaurer un contrôle correct des nucléotides cycliques. Onze familles de PDEs sont actuellement décrites, les PDE1-6 étant les plus étudiées et les PDE 7-11 représentant de nouvelles familles.L'objectif de cette thèse était d'étudier le rôle respectif de 4 familles de PDEs, la PDE1, famille stimulée par le complexe Ca2+/calmoduline, les PDE5 et PDE9 spécifiques du GMPc, et la PDE8 spécifique de l'AMPc, dans le contrôle des concentrations intracellulaires d'AMPc ([AMPc]i) et de GMPc ([GMPc]i) dans les cellules musculaires lisses aortiques de rat (CMLARs) et les myocytes cardiaques de rat en utilisant une approche pharmacologique facilitée par le développement de nouveaux inhibiteurs sélectifs de PDEs. Les activités d'hydrolyse d’AMPc et de GMPc ont été mesurées par dosage enzymatique, tandis que les [AMPc]i et [GMPc]i ont été suivies sur cellules isolées, in situ, en temps réel, grâce à l'utilisation de l'imagerie FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Dans les CMLARs en culture, une activité d'hydrolyse des nucléotides cycliques via les PDE1, PDE5 et PDE9 a été observée. Nous avons montré un rôle fonctionnel de la PDE1 non stimulée dans le contrôle de l’augmentation de la [GMPc]i induite par le peptide natriurétique de type C (CNP). Il est intéressant de noter que, lors de l’élévation de la concentration intracellulaire en Ca2+, la PDE1 exerce également un contrôle de la réponse GMPci induite par le monoxyde d’azote (NO) et de la réponse AMPc médiée par la stimulation des récepteurs β-adrénergiques (β-AR). La PDE5 exerce un rôle majeur dans la réponse GMPc provoquée par l'activation de la guanylyl cyclase (GC) soluble par le NO ou des GC membranaires par les peptides natriurétiques, CNP et ANP. En revanche, la PDE9 ne régule que la réponse GMPc induite par le NO dans les RASMC cultivées. Aucune activité ou fonction hydrolytique de l'AMPc n'a été révélée avec l'inhibiteur de la PDE8 dans les CMLARs ou les cardiomyocytes de rat. Dans ces cellules cardiaques, l'activité d'hydrolyse médiée par la PDE1 n'a été détectée que sur la réponse GMPc et uniquement en présence de Ca2 +/Calmoduline. L'inhibiteur de la PDE1 n'a que légèrement affecté la réponse AMPc médiée par les récepteurs β-AR, par augmentation du pic du signal FRET.En conclusion, notre travail démontre que dans les cellules musculaires lisses vasculaires, les PDE1, PDE5 et PDE9 exercent une régulation spécifique et locale des [AMPc]i et [GMPc]i, renforçant le rôle clé des PDEs dans la compartimentation subcellulaire de la signalisation des nucléotides cycliques. / The two cyclic nucleotides cAMP and cGMP are important second messengers that regulate a large variety of cellular functions, in particular cardiovascular contractile function, cardiomyocyte cell growth and vascular smooth muscle cell proliferation. Phosphodiesterases (PDEs) degrade cyclic nucleotides, and exert a fine local control of their intracellular concentration. Alteration of cyclic nucleotides signaling pathway is involved in several pathological situations such as systemic and pulmonary arterial hypertensions, atherosclerotic lesions and cardiac hypertrophy. Thus, PDEs constitute potent therapeutic targets to restore a right cyclic nucleotide function. Eleven families of PDEs are now described, PDE1-6 being the most studied and PDE 7-11 representing the new families.The aim of the present thesis was to investigate the respective role of 4 PDE families, the Ca2+/calmodulin-stimulated PDE1, the cGMP-specific PDE5 and PDE9, and the cAMP-specific PDE8, in controlling intracellular cAMP ([cAMP]i) and intracellular cGMP ([cGMP]i) concentrations in both rat aortic smooth muscle cells (RASMCs) and cardiac myocytes by using a pharmacological approach taken advantage of the development of new selective PDE inhibitors. Cyclic AMP- and cGMP-hydrolyzing activities were measured by enzymatic assay on cell lysate, whereas real-time [cAMP]i and [cGMP]i were followed in situ in isolated cells using Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) imaging. In cultured RASMCs, PDE1, PDE5 and PDE9 hydrolyzing activities were observed. We showed a functional role of basal PDE1 in controlling [cGMP]i increased by the C-type Natriuretic Peptide (CNP). Interestingly, upon high intracellular Ca2+ concentration, PDE1 also regulated the Nitric Oxide (NO)-mediated [cGMP]i response and the β-adrenoceptor (β-AR)-mediated [cAMP]i response. PDE5 exerted a major role in degrading [cGMP]i produced by the activation of either the soluble guanylyl cyclase (GC) elicited by NO or the particulate GCs by the natriuretic peptides, CNP and ANP. By contrast, PDE9 only regulated NO-induced [cGMP]i increase in cultured RASMCs. No cAMP-hydrolyzing activity or function was revealed with the PDE8 inhibitor in RASMCs or cardiac myocytes. In rat cardiomyocytes, PDE1-mediated hydrolyzing activity was only detected on cGMP in the presence of Ca2+/calmodulin. Unexpectedly, PDE1 inhibition slightly affected the β-AR-mediated [cAMP]i response by increasing the peak of FRET signal.In conclusion, our work underscores the distinct role of PDE1, PDE5, and PDE9 in locally regulating the [cAMP]i and [cGMP]i, in vascular smooth muscle cells, strengthening the concept of PDEs as key actors of cyclic nucleotide subcellular compartmentation.

Nos études ont démontrées que la formation de la cicatrice et la guérison sont associées avec l’apparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) dans la région péri-infarcie. Présentement, l’étude examine le mécanisme, tel que l’hypoxie ou les hormones neuronales, possiblement impliqué dans leur recrutement et de dévoiler leur origine cellulaire. La présence de ces cellules a été détectée dans les coeurs infarcies d’une semaine et maintenue après neuf mois suite à une sujétion coronaire complète. Aussi, ces cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) ont été observées dans le coeur infarci humain. L’hypoxie représente un événement prédominant suite à un infarctus de myocarde, mais l’exposition des rats normaux à un environnement hypoxique n’a pas pu promouvoir l’apparition de ces cellules. Autrement, l’infusion de l’agoniste -adrénergique non-sélectif isoprotérénol (ISO) dans les rats adultes Sprague-Dawley a augmenté la protéine nestine dans le ventricule gauche et a été associé avec la réapparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+). Cela représente possiblement un effet secondaire suite à la nécrose des myocytes cardiaques par l’administration d’isoprotérénol. Dernièrement, on a identifié une sous-population de cellules nestine(+) dans le coeur normal du rat qui co-exprime les marqueurs de cellules cardiaques progénitrices Nkx-2.5 et GATA-4. Cette sous-population de cellules nestine/Nkx-2.5/GATA-4 pourrait représenter des substrats cellulaires qui puissent se différentier en cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) suite à une ischémie. Mots clés: nestine, isoprotérénol, nécrose, cellule souche, cellule progénitrice, myocyte cardiaque / Studies from our lab demonstrated that scar formation and healing was associated with the appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells predominantly at the peri-infarct region. The focus of the present study was to identify the underlying mechanism(s) (e.g. hypoxia, neurohormones) implicated in their recruitment and their cellular origin. The presence of these cells was detected as early as 1-week post-myocardial infarction (MI) and persisted 9 months after complete coronary artery ligation. Furthermore, nestin(+) cardiac myocyte-like cells were also detected in the infarcted human heart. Hypoxia represents a predominant stimulus following MI, however the exposure of normal rats to a hypoxic environment failed to promote the re-appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. By contrast, the infusion of the non-selective -adrenergic agonist isoproterenol (ISO) in the normal adult Sprague-Dawley rat increased nestin expression in the left ventricle and was associated with the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. However, the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells may not represent a direct effect but was apparently secondary to cardiac myocyte necrosis mediated by isoproterenol. Lastly, we identified a subpopulation of nestin-immunoreactive cells in the normal rat heart that coexpressed cardiac progenitor cell markers Nkx-2.5 and GATA-4. This subpopulation of nestin/Nkx-2.5/GATA-4 cells may represent the progenitor pool that differentiates to a nestin(+) cardiac myocyte-like cell following an ischemic insult. Key words: nestin, isoproterenol, cardiac myocyte, cardiac progenitor, necrosis

Nos études ont démontrées que la formation de la cicatrice et la guérison sont associées avec l’apparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) dans la région péri-infarcie. Présentement, l’étude examine le mécanisme, tel que l’hypoxie ou les hormones neuronales, possiblement impliqué dans leur recrutement et de dévoiler leur origine cellulaire. La présence de ces cellules a été détectée dans les coeurs infarcies d’une semaine et maintenue après neuf mois suite à une sujétion coronaire complète. Aussi, ces cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) ont été observées dans le coeur infarci humain. L’hypoxie représente un événement prédominant suite à un infarctus de myocarde, mais l’exposition des rats normaux à un environnement hypoxique n’a pas pu promouvoir l’apparition de ces cellules. Autrement, l’infusion de l’agoniste -adrénergique non-sélectif isoprotérénol (ISO) dans les rats adultes Sprague-Dawley a augmenté la protéine nestine dans le ventricule gauche et a été associé avec la réapparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+). Cela représente possiblement un effet secondaire suite à la nécrose des myocytes cardiaques par l’administration d’isoprotérénol. Dernièrement, on a identifié une sous-population de cellules nestine(+) dans le coeur normal du rat qui co-exprime les marqueurs de cellules cardiaques progénitrices Nkx-2.5 et GATA-4. Cette sous-population de cellules nestine/Nkx-2.5/GATA-4 pourrait représenter des substrats cellulaires qui puissent se différentier en cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) suite à une ischémie. Mots clés: nestine, isoprotérénol, nécrose, cellule souche, cellule progénitrice, myocyte cardiaque / Studies from our lab demonstrated that scar formation and healing was associated with the appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells predominantly at the peri-infarct region. The focus of the present study was to identify the underlying mechanism(s) (e.g. hypoxia, neurohormones) implicated in their recruitment and their cellular origin. The presence of these cells was detected as early as 1-week post-myocardial infarction (MI) and persisted 9 months after complete coronary artery ligation. Furthermore, nestin(+) cardiac myocyte-like cells were also detected in the infarcted human heart. Hypoxia represents a predominant stimulus following MI, however the exposure of normal rats to a hypoxic environment failed to promote the re-appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. By contrast, the infusion of the non-selective -adrenergic agonist isoproterenol (ISO) in the normal adult Sprague-Dawley rat increased nestin expression in the left ventricle and was associated with the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. However, the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells may not represent a direct effect but was apparently secondary to cardiac myocyte necrosis mediated by isoproterenol. Lastly, we identified a subpopulation of nestin-immunoreactive cells in the normal rat heart that coexpressed cardiac progenitor cell markers Nkx-2.5 and GATA-4. This subpopulation of nestin/Nkx-2.5/GATA-4 cells may represent the progenitor pool that differentiates to a nestin(+) cardiac myocyte-like cell following an ischemic insult. Key words: nestin, isoproterenol, cardiac myocyte, cardiac progenitor, necrosis