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

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

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

Les micro-ARNs (miRNAs) sont de petits ARNs (20-25 nt) qui ont un rôle important dans les mécanismes d'interférence ARN. Les miRNAs sont des inhibiteurs de l'expression génique qui interviennent au niveau post-traductionnel en s'hybridant à des sites spécifiques de leurs ARNm cibles. Ce mécanisme induit la dégradation de l'ARNm ou l'inhibition de sa traduction. Puisque l'hybridation partielle du miRNA est suffisante pour induire une inhibition, chaque miRNA peut avoir des centaines de cibles. Les miRNAs sont impliqués dans de nombreuses fonctions biologiques et en particulier dans processus neuronaux. Plus de la moitié des miRNAs connus sont exprimés dans le cerveau de mammifère avec une distribution spécifique du miRNA considéré. A l'échelle sub-cellulaire il y a également une distribution hétérogène des miRNAs. De plus, il a été montré récemment une implication des miRNAs dans la régulation de la traduction locale dans les neurones. En effet, des miRNAs et des protyeines impliquées dans la biogenèse et la fonction des miRNAs ont été retrouvés dans le soma, les dendrites et les axones. Il a été montré que la dérégulation des miRNAs été impliquée dans de nombreux mécanismes pathologiques. Cette thèse a pour objectif de révéler le rôle des miRNAs dans la plasticité synaptique. Nous avons étudié l'implication des miRNAs dans les mécanismes de la plasticité synaptique homéostatique et dans la plasticité dysfonctionnelle rencontrée en condition de douleur cancéreuse.Notre hypothèse était que la régulation de la traduction locale des récepteurs AMPA dans les dendrites en condition d'homéostasie synaptique implique les miRNAs. Par bio-informatique, qRT-PCR et test luciférase, nous avons identifié le miRNA miR-92a comme régulateur de la traduction de l'ARNm de GluA1. Des immunomarquages des récepteurs AMPA et des enregistrements des courants miniatures AMPA montrent que miR-92a régule spécifiquement l'incorporation synaptique de nouveau récepteurs AMPA contenant GluA1 en réponse à un blocage de l'activité synaptique. La douleur est un symptôme très fréquemment associé au cancer et constitue un challenge pour les médecins puisque aucun traitement spécifique et efficace n'existe. C'est sans doute le résultat d'un manque de connaissances des mécanismes moléculaires responsables de la douleur cancéreuse. En combinant les screening des miRNA et des ARNm, nous avons mis en évidence une voie de régulation impliquant miR-124, un miRNA enrichi dans le système nerveux. Ainsi, dans un modèle de douleur cancéreuse chez la souris, la diminution de miR-124 est associée à une augmentation de ces cibles : calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. Toutes ces protéines ont précédemment été identifiées comme des molécules clef de la fonction et de la plasticité synaptique. Des experiences in vitro ont confirmé que miR-124 exercait une inhibition multiple de calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. La pertinence clinique de cette découverte a été vérifiée par le screening du liquide cérébro-spinal de patients souffrant de douleur cancéreuse qui montre également une diminution de miR-124. Ce résultat suggère un fort potentiel thérapeutique du ciblage de miR-124 dans les douleurs cancéreuses. Enfin, l'injection intrathécale de miR-124 dans des souris cancéreuses a permis de normaliser l'expression de la synaptopodine et de stopper la douleur cancéreuse lors de la phase initiale de la maladie. / MicroRNAs (miRNAs) are a type of small RNA molecules (21-25nt), with a central role in RNA silencing and interference. MiRNAs function as negative regulators of gene expression at the post-transcriptional level, by binding to specific sites on their targeted mRNAs. A process results in mRNA degradation or repression of productive translation. Because partial binding to target mRNA is enough to induce silencing, each miRNA has up to hundreds of targets. miRNAs have been shown to be involved in most, if not all, fundamental biological processes. Some of the most interesting examples of miRNA activity regulation are coming from neurons. Almost 50% of all identified miRNAs are expressed in the mammalian brain. Furthermore, miRNAs appear to be differentially distributed in distinct brain regions and neuron types. Importantly, miRNAs are reported to be differentially distributed at the sub-cellular level. Recently, miRNAs have been suggested to be involved in the local translation of neuronal compartments. This has been derived from the observations reporting the presence of miRNAs and the protein complexes involved in miRNA biogenesis and function in neuronal soma, dendrites, and axons. Deregulation of miRNAs has been shown to be implicated in pathological conditions. The present thesis aimed at deciphering the role of miRNA regulation in neuronal plasticity. Here we investigated the involvement of miRNA in synaptic plasticity, specifically in homeostatic synaptic plasticity mode. In addition, we investigated the involvement of miRNAs in the maladaptive nervous system state, specifically, in bone cancer pain condition.We hypothesized that local regulation of AMPA receptor translation in dendrites upon homeostatic synaptic scaling may involve miRNAs. Using bioinformatics, qRT-PCR and luciferase reporter assays, we identified several brain-specific miRNAs including miR-92a, targeting the 3’UTR of GluA1 mRNA. Immunostaining of AMPA receptors and recordings of miniature AMPA currents in primary neurons showed that miR-92a selectively regulates the synaptic incorporation of new GluA1-containing AMPA receptors during activity blockade.Pain is a very common symptom associated with cancer and is still a challenge for clinicians due to the lack of specific and effective treatments. This reflects the crucial lack of knowledge regarding the molecular mechanisms responsible for cancer-related pain. Combining miRNA and mRNA screenings we were able to identify a regulatory pathway involving the nervous system-enriched miRNA, miR-124. Thus, miR-124 downregulation was associated with an upregulation of its predicted targets, Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4 in a cancer-pain model in mice. All these targets have been previously identified as key proteins for the synapse function and plasticity. Clinical pertinence of this finding was assessed by the screening of cerebrospinal fluid from cancer patient suffering from pain who presented also a downregulation of miR-124, strongly suggesting miR-124 as a therapeutic target. In vitro experiments confirmed that miR-124 exerts a multi-target inhibition on Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4. In addition, intrathecal injection of miR-124 was able to normalize the Synaptopodin expression and to alleviate the initial phase of cancer pain in mice.

Cette thèse traite de la problématique de l'unification de différents flux d'informations modales qui peuvent provenir des senseurs d'un agent. Cette unification, inspirée des expériences psychologiques comme l'effet ventriloque, s'appuie sur la détection de corrélations, définies comme des motifs spatiauxqui apparaissent régulièrement dans les flux d'entrée. L'apprentissage de l'espace des corrélations du flux d'entrée échantillonne cet espace et généralise les échantillons appris. Cette thèse propose des principes fonctionnels pour le traitement multimodal de l'information qui ont aboutit à l'architectureconnexionniste, générique, modulaire et cortico-inspirée SOMMA (Self-Organizing Maps for Multimodal Association). Dans ce modèle, le traitement de chaque modalité s'effectue au sein d'une carte corticale. L'unification multimodale de l'information est obtenue par la mise en relation réciproque de ces cartes.L'échantillonnage et la généralisation des corrélations reposent sur une auto-organisation contrainte des cartes. Ce modèle est caractérisé par un apprentissage progressif de ces propriétés fonctionnelles : les propriétés monomodales amorcent l'émergence des propriétés multimodales et, dans le même temps, l'apprentissagede certaines corrélations par chaque carte est un préalable à l'auto-organisation de ces cartes. Par ailleurs, l'utilisation d'une architecture connexionniste et d'un apprentissage continu et non supervisé fournit au modèle des propriétés de robustesse et d'adaptabilité qui sont généralement absentes des approches informatiques classiques. / This thesis focuses on unifying multiple modal data flows that may be provided by sensors of an agent. This unification, inspired by psychological experiments like the ventriloquist effect, is based on detecting correlations which are defined as temporally recurrent spatial patterns that appear in the input flows. Learning of the input flow correlations space consists on sampling this space and generalizing theselearned samples. This thesis proposed some functional paradigms for multimodal data processing, leading to the connectionist, generic, modular and cortically inspired architecture SOMMA (Self-Organizing Maps for Multimodal Association). In this model, each modal stimulus is processed in a cortical map. Interconnectionof these maps provides an unifying multimodal data processing. Sampling and generalization of correlations are based on the constrained self-organization of each map. The model is characterised by a gradual emergence of these functional properties : monomodal properties lead to the emergence of multimodal ones and learning of correlations in each map precedes self-organization of these maps.Furthermore, the use of a connectionist architecture and of on-line and unsupervised learning provides plasticity and robustness properties to the data processing in SOMMA. Classical artificial intelligence models usually miss such properties.

L’étude des formes familiales de syndrome néphrotique (SN) ou de protéinurie glomérulaire avec lésions histologiques de hyalinose segmentaire et focale (HSF) a permis d’incriminer plus d’une vingtaine de gènes, majoritairement exprimés par le podocyte, cellule principale de la barrière de filtration glomérulaire (BFG). Parmi ces gènes, près d’une dizaine code des régulateurs du cytosquelette d’actine démontrant ainsi le rôle central de la plasticité et de l’architecture du podocyte dans le fonctionnement du filtre glomérulaire. L’ensemble de ces travaux a permis de définir une nouvelle catégorie de maladies nommées podocytopathies héréditaires. Mon projet de thèse a porté sur la caractérisation de plusieurs gènes (TTC21B, WDR73, TRIM3), dont nous avons identifié des mutations dans des cas de podocytopathies héréditaires isolées ou syndromiques. Les résultats du premier volet de ma thèse ont montré que la mutation faux sens p.P209L dans le gène TTC21B induit à l’état homozygote une nouvelle entité clinique associant à la fois une atteinte glomérulaire et une atteinte tubulaire. TTC21B code l’IFT139 (intraflagellar transport protein 139), une protéine impliquée dans le transport protéique antérograde dans le cil primaire, un organite présent à la surface de la plupart des cellules épithéliales. Ces résultats étaient inattendus car l’identification de mutations dans un gène codant une protéine ciliaire n’avait jamais été démontrée auparavant dans des cas de podocytopathies héréditaires, et surtout, il ne semblait pas exister de cil primaire à la surface des podocytes matures. Effectivement, nous avons montré que le cil primaire est présent dans les podocytes humains indifférenciés, mais disparait au cours de la différenciation. Nos résultats ont permis de comprendre l’apparente contradiction entre la survenue d’une pathologie glomérulaire relativement tardive (protéinurie et SN à l’adolescence) et l’absence de cil dans le podocyte mature. En effet, nous avons montré que la mutation p.P209L est une mutation hypomorphe qui induit des défauts mineurs dans la fonction ciliaire, alors qu’elle provoque, dans le podocyte différencié, une déstructuration importante du réseau d’actine et de microtubules du podocyte. Cette étude montre que la protéine ciliaire IFT139, par sa fonction extra-ciliaire, permet de réguler la dynamique des microtubules. Dans le deuxième volet de mon projet, en collaboration avec l’équipe de D Bonneau (Angers), nous avons identifié des mutations tronquantes dans le gène WDR73, dans deux familles non apparentées présentant un syndrome de Galloway-Mowat (SGM), pathologie de transmission autosomique récessive, très hétérogène cliniquement, associant SN et microcéphalie. Ces travaux ont permis d’identifier le premier gène impliqué dans le SGM, dans un sous-groupe de patients présentant un phénotype neurologique très homogène (microcéphalie post-natale, atrophie corticale avec atrophie cérébelleuse majeure, déficience intellectuelle très sévère), alors que l’atteinte glomérulaire est très variable. Ce gène code WDR73, une protéine à motifs WD40. Nos travaux ont montré que la protéine est exprimée dans les neurones du système nerveux central, en particulier dans les cellules de Purkinje du cervelet et dans les podocytes. Des études fonctionnelles nous ont permis de montrer que WDR73 est impliquée dans la survie cellulaire, puisqu’en son absence, une apoptose accrue est observée dans les fibroblastes de patients. De plus, elle est également nécessaire au maintien de la dynamique des microtubules dans les fibroblastes et dans les podocytes différenciés, alors qu’elle ne semble pas avoir de rôle dans la régulation de l’actine. (...) / The genetic study of familial forms of nephrotic syndrome or proteinuria with focal segmental glomerulosclerosis has permitted the identification of 30 causal genes, mainly expressed in the podocyte, which is the principal actor of the glomerular filtration barrier (GFB). Among those genes, approximately ten encode actin cytoskeleton regulators and components, thus highlighting the dramatic role of the podocyte architecture and plasticity in the function of the GFB. During the last decade, all the accumulating results, has made a new category of disease called hereditary podocytopathies. The aim of my thesis project was to characterize the effect of mutations in three candidate genes (TTC21B, WDR73, WDR73), identified by whole exome sequencing in isolated or syndromic podocytopathies. In the first part of my project, we found a homozygous missense mutation (p.P209L) in TTC21B, which encodes a ciliary gene named Intraflagellar transport protein IFT139. This protein ensures the trafficking of components from the tip to the base of the primary cilium, which is an organelle present on most mammalian epithelial cells. These results were unexpected because until now, the existence of the primary cilium was unknown. Our work demonstrates the presence of the primary cilium in the human immature podocyte that disappears once podocytes have differentiated. We also showed that IFT139 localized at the basal body and then relocalized along the complex microtubule network of differenciated cells. We showed that the hypomorphic mutation p.P209L causes minor ciliary defects in undifferentiated cells that are not responsible for the glomerular phenotype. Indeed, the glomerular lesions are rather due to drastic damage in actin and, microtubular dysregulation, found in differentiated podocytes. The second part of my thesis aimed to characterize the effects of truncating mutations identified in the WDR73 gene, found in two families. WDR73 is the first gene identified in Galloway Mowat syndrome by whole exome sequencing combined with homozygous mapping. This rare disease is defined by the association of microcephaly with nephrotic syndrome. In this study, the phenotypes of patients with WDR73 mutations are homogenous concerning neurological features, and are heterogeneous with regards to the renal defects. Thus, WDR73 mutations are responsible for a subset of particular patients affected with Galloway-Mowat syndrome. The WDR73 gene encodes WDR73, a WD-40 containing protein of unknown function. Our studies demonstrated that this protein is expressed in both neurons and podocytes in human tissues. We demonstrated that in undifferentiated cells, WDR73 is weakly expressed in the cytosol, while strong expression and relocalization to the spindle pole, microtubule asters and in the cleavage furrow occur during mitosis. Patient fibroblasts and WDR73-depleted podocytes displayed defects in nuclear morphology, which was associated with a decrease in cell survival in patient fibroblasts. Furthermore, we showed that patient fibroblasts and differentiated WDR73-depleted podocytes harbored an atypical morphology associated with a disorganized microtubule network, suggesting microtubule polymerization defects. Our functional studies demonstrated that WDR73 is crucial in both cell survival and microtubule polymerization in neurons and podocytes. The final part of my PhD work focused on the characterization of a missense mutation in the TRIM3 gene R28W identified by whole exome sequencing in a non consanguineous family with autosomal dominant focal segmental glomerulosclerosis. TRIM3 encodes TRIM3, an E3 ubiquitin-ligase that plays a role in transferrin endosomal recycling, and in microtubule trafficking via KIF21B, one of its known partners. Interestingly, the polymorphism V801M in ACTN4 co-segrates with the disease. Furthermore, mutations in this gene were already incriminated in autosomal dominant cases of HSF. (...)

Dans le domaine médical, une meilleure connaissance de la fonctionmotrice est susceptible de permettre d’établir des thérapies adaptéesà chaque lésion motrice et des outils d’études et de dépistage dansle cas de maladies neurodégénératives. Dans le domaine de la réalitévirtuelle, la reconnaissance du mouvement est un point angulaire dansl’interaction de l’avatar ou de la personne en immersion avec sonenvironnement. Plusieurs travaux ont été menés dans le but de proposerdes approches de classification du mouvement humain. L’idée principalede ces méthodes est d’extraire des invariants des données enregistréesafin de les regrouper en clusters. Cependant, l'étude du mouvementhumain avec des systèmes de capture de mouvement génère une quantitéde données volumineuse, avec des relations non linéaires entre elles.Les méthodes présentées dans la littérature scientifique utilisent cesdonnées soit directement comme entrée à des algorithmes declassification, soit en appliquant une méthode de réductiondimensionnelle, comme l’analyse en composantes principales avant laclassification. Ces méthodes restent extrêmement sensibles au bruitblanc pendant l'enregistrement ainsi qu’aux différences morphologiquesentre les sujets. Dans notre travail, nous allons présenter uneméthodologie de classification et de reconnaissance du mouvementhumain, qui se base sur l’analyse topologique des donnéescinématiques. L’analyse topologique sera réalisée via la persistancehomologique, qui est une méthode d’analyse des données volumineusesqui permet de leur associer une signature topologique. On combineracette méthode d’analyse topologique avec des algorithmesd’apprentissage afin d’augmenter la précision de la reconnaissance desmouvements en réduisant l'impact des différences morphologiques entreles sujets ainsi que l’impact du bruit blanc issu pendant l'étaped’acquisition du mouvement. Par ailleurs, on combinera la méthoded’analyse topologique avec un algorithme de réseaux de neuronestemporels, afin de construire une approche qui permet de prédire lasuite d’un mouvement à partir d’une partie d’un intervalled’enregistrement.Les résultats ont montré la capacité de l’approche proposée à obtenirune précision avec un taux élevé lors de la classification, ainsi quesa robustesse face au bruit blanc et aux différences morphologiquesentre les personnes. Les résultats ont montré aussi le cout élevé entemps de calcul de notre approche. Nous avons proposé des méthodes(algorithme et parallélisme) de façon à réduire les temps de calculs. / In the medical field, a better knowledge of the motor function isimportant for us to determine therapies adapted to each motor lesion andtools of studies and screening for neurodegenerative diseases. In thedomain of virtual reality, motion recognition is an issue in theinteraction of the avatar or the user in immersion with theirenvironment.Several studies have been conducted with the aim of proposingapproaches to the classification of human movement. The main idea ofthese methods is to extract invariants from the recorded data in orderto order them into clusters. However, the study of human motion withmotion capture systems generates a big quantity of data with nonlinearrelations between them. The presented methods in the scientificliterature use these data either directly as input to classificationalgorithms or by applying a dimensional reduction method such asprincipal component analysis prior to classification. These methodsremain extremely sensitive to white noise during recording as well asmorphological differences between subjects.In our work, we will present a methodology of classification andrecognition of human movement which is based on the topologicalanalysis of kinematic data. Topological analysis will be performed viahomological persistence which is a large data analysis method thatallows them to be topologically signed. This method of topologicalanalysis will be combined with learning algorithms to increase theaccuracy of motion recognition by reducing the impact of morphologicaldifferences between subjects, as well as the impact of white noiseissued during the step of movement acquisition. Also, we will combinethe topological analysis method with a temporal neural networkalgorithm in order to build an approach that allows to predict thecontinuation of a movement from a part of a recording interval.The results showed the ability of the proposed approach to achievehigh accuracy at classification, as well as its robustness againstwhite noise and morphological differences between subjects. Theresults also showed the high cost in computing time of our approachwhich we tried to reduce by modifying its steps and by rewriting thecode so that it can be executed in parallel.

Les exosomes sont des vésicules d’origine endosomale sécrétées par les cellules dans leur environnement après fusion à la membrane plasmique des endosomes multivésiculés. Les exosomes représentent un nouveau mode de communication entre les cellules en permettant un transfert direct de protéines, de lipides et d’ARN. L’objectif de ma thèse était d’étudier le rôle des exosomes dans la communication entre les neurones. Précédemment, le laboratoire a montré que les neurones sécrètent des exosomes de manière régulée par l’activité synaptique. Nous avons observé que les exosomes neuronaux ne sont endocytés que par les neurones. Après avoir montré qu’ils ne contiennent que des ARN courts, nous avons réalisé un séquençage complet de leurs microARN et observé que ces microARN étaient sélectivement exportés dans les exosomes. Nos observations suggèrent que les microARN contenus dans les exosomes peuvent modifier la physiologie des neurones receveurs. Nos résultats renforcent l’hypothèse du rôle des exosomes dans la communication entre les neurones via le transfert de microARN. / Exosomes are vesicles of endocytic origin released by cells into their environment following fusion of multivesicular endosomes with the plasma membrane. Exosomes represent a novel mechanism of cell communication allowing direct transfer of proteins, lipids and RNA. The goal of my PhD thesis was to study that exosomes represent a novel way of interneuronal communication. Our team has previously reported that neurons release exosomes in a way tightly regulated by synaptic activity. We observed that exosomes released by neurons are only endocytosed by neurons. We found that exosomes contain only small RNA and did a deep sequencing of all their microRNA. MicroRNA are selectively exported into exosomes. It seems that exosomal microRNA can modify the physiology of receiving neurons. Our results strengthen the hypothesis of the role of exosomes in the interneuronal communication by the way of microARN transfert.

La première partie de mon thèse s'intéresse aux problèmatiques de la technologie du semi-conducteur traditionnelle. Ensuite dans la deuxième partie je vais m'intérésser aux propriétés des nanocomposants. Ils se distinguent du CMOS classique selon plusieurs critères. Ayant une connaissance globale des architectures, j'ai choisi de développer plus amplement les réseaux de neurones en seconde partie. En effet, des fonctions logiques peuvent être émulées par les réseaux de neurones réalisés à partir des nanotubes de carbones et des mémoires multiniveaux. Pour la dernière partie, la robustesse d'une architecture de réseaux de neurones est évaluée par simulation qui montre la possibilité de construire un circuit robuste grâce à l'apprentissage.

Document de 180 pages décrivant en détail les techniques de descente du gradient dans les réseaux de neurones récurrents.