Les maladies neurodégénératives regroupent un ensemble de neuropathologies qui se caractérisent par le dysfonctionnement progressif des neurones et leur perte irréversible au niveau du système nerveux central. Parmi ces maladies figure la maladie d’Alzheimer (MA) qui est une des conditions neurodégénératives la plus fréquente. Bien qu’aucune étiologie n’ait encore été identifiée, le vieillissement est par conséquent le principal facteur de risque de la MA. Grâce aux recherches réalisées sur le vieillissement, des caractéristiques de changements cellulaires et biochimiques, comme la sénescence cellulaire et l’inflammaging, ont été associées à ce phénomène. La sénescence cellulaire qui se définit par un état d’arrêt du cycle cellulaire pourrait aggraver une maladie neurodégénérative, entre autres par le biais de phénotypes sécrétoires associés à la sénescence. L’implication du proto-oncogène BMI1 dans la régulation du cycle cellulaire et la sénescence a été démontrée à travers son inhibition du locus INK4/ARF. De plus, une déficience en BMI1 a été rapportée dans des neurones de certains patients avec la MA, et elle est également associée à une neurodégénérescence précoce. Le complexe NF-κB participe à l’expression d’un large éventail de gènes de cytokines pro-inflammatoires impliquées dans les processus de l’inflammaging et de la sénescence cellulaire. Cependant, l’implication conjointe de BMI1 et de NF-κB dans les processus de neurodégénérescence demeure peu connue. Compte tenu de ce contexte, dans le cadre de ce projet de maitrise, nous avons voulu explorer l’implication conjointe des molécules BMI1 et de la voie canonique du facteur NF-κB dans la production de cytokines pro-inflammatoires en utilisant des modèles in vivo et in vitro reproduisant un phénotype de neurodégénérescence similaire à la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’une déficience en BMI1 est corrélée à une inactivation du facteur NF-κB aussi bien dans des neurones in vitro qu’in vivo ainsi qu’a une baisse de l’expression des cytokines IL6 et IL8. Bien que nous présentions des résultats générés à partir d’expériences non dupliquées, ils convergent tout de même vers des conclusions similaires à celles obtenues au niveau de pathologies cancéreuses. Ainsi notre projet apporte une information additionnelle qui pourrait servir à la compréhension des mécanismes sous-jacents au phénomène de l’inflammaging dans la neurodégénérescence. / Neurodegenerative diseases are a group of neuropathologies characterized by the progressive dysfunction of neurons and their death in the central nervous system. Among these diseases, Alzheimer's disease (AD) is the most common one. Although no aetiology has yet been identified, aging is therefore the main risk factor for AD. Thanks to several research work on aging, cellular characteristics and biochemical changes, such as senescence and inflammaging, have been associated with this phenomenon. Senescence, which is defined as a state of cell cycle arrest, could worsen neurodegenerative diseases throughout senescence associated secretory phenotypes. The involvement of the proto-oncogene BMI1 in cell cycle regulation and senescence has been demonstrated through its inhibition of the INK4/ARF locus. Additionally, BMI1 deficiency has been reported in neurons of AD patients, and it is also associated with early neurodegeneration. The NF-κB complex participates in the expression of a wide range of pro-inflammatory cytokine involved in the processes of inflammaging and cellular senescence. However, little is known about the joint involvement of BMI1 and NF-κB molecules in neurodegeneration processes. Given this context, within the framework of this master's project, we wanted to explore the combined implication of BMI1 and the canonical pathway of the NF-κB factor in the production of pro-inflammatory cytokines using in vivo and in vitro models reproducing a neurodegenerative phenotype similar to Alzheimer's disease. Our results indicate that a deficiency in BMI1 is correlated to an inactivation of the NF-κB expression both in vitro and in vivo neurones, as well as with a decrease in the expression of cytokines IL6 and IL8. Although we present results generated from unduplicated experiments, they nonetheless converge towards similar conclusions obtained in studies carried out on cancerous pathologies. Thus, our project provides additional information that could help to understand the mechanisms underlying the inflammaging phenomena in neurodegeneration.

Parmi les différents acteurs impliqués dans le dogme de la biologie moléculaire, les protéines sont des unités biologiques fonctionnelles contribuant à de nombreux processus biologiques. Dans la compréhension de la relation génotype-phénotype, il est important d’étudier l'influence de gènes, ou de variants génétiques, sur des mécanismes moléculaires spécifiques, permettant d’expliquer la variance phénotypique de traits dits complexes. Dans cette thèse nous allons démontrer l’intérêt de proposer différentes stratégies bio-informatiques protéome-centrées pour l’étude de phénotypes complexes. Dans une première étude, nous mettons en avant comment l'utilisation de la génomique comparative, couplée à l'analyse de la propension d'agrégation des protéines, permet d'identifier certains groupes de protéines avec des différences significatives entre espèces dans leurs propriétés intrinsèques contribuant à la protéostase cellulaire. Ce mécanisme est proposé dans cette thèse comme hypothèse de travail pour étudier les différences d'espérance de vie chez les rongeurs: ce travail est réalisée sur deux espèces phylogénétiquement proches, le rat taupe-nu et la souris, mais possédant des différences phénotypiques dans le contexte du vieillissement. Dans une seconde étude, nous proposons une nouvelle méthodologie s'appuyant sur l'étude quantitative des réseaux d'interaction protéine-protéine afin d'identifier les déterminants génétiques qui seraient responsables de la variation de ces interactions, suite à une stimulation médicamenteuse dans une population de levures génétiquement diversifiées. Ces travaux de recherche étudient le protéome et ses interactions et permettent de proposer une abstraction originale des phénotypes complexes. / Among the different actors involved in the dogma of molecular biology, proteins are functional biological units contributing to many biological processes. In the understanding of the genotype-phenotype relationship, it is important to study the influence of genes, or genetic variants, on specific molecular mechanisms, allowing to explain the phenotypic variance of so-called complex traits. In this thesis we will demonstrate the interest of proposing different proteome-centric bioinformatics strategies for the study of complex phenotypes. In a first study, we highlight how the use of comparative genomics, coupled with the analysis of the aggregation propensity of proteins, allows to identify some groups of proteins with significant differences between species in their intrinsic properties contributing to cellular proteostasis. This mechanism is proposed in this thesis as a working hypothesis to study differences in life expectancy in rodents: this work is performed on two phylogenetically related species, the mole rat and the mouse, but with phenotypic differences in the context of aging. In a second study, we propose a new methodology based on the quantitative study of protein-protein interaction networks in order to identify the genetic determinants that would be responsible for the variation of these interactions, following a drug stimulation in a genetically diversified yeast population. This research studies the proteome and its interactions and proposes an original abstraction of complex phenotypes.

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent. / Links among substance use, obesity, stress and related cardiovascular outcomes may be in part due to shared genetic factors. To investigate this hypothesis, we performed genome-wide linkage and association scans for genetic components of habitual alcohol, tobacco and coffee use, response to mental and physical stress, obesity related anthropometric traits and heart rate (HR) and blood pressure (BP) measurements in 119 multigenerational French Canadian families from founder population of Saguenay-Lac-St-Jean region using 58000 SNPs and 437 microsatellite markers and followed with functional annotation on resulted genes. We found significant phenotypic correlations among substance use, obesity, stress and hemodynamic traits. For instance, alcohol and tobacco users had attenuated HR response to mental stress; moreover, tobacco users had lower BP compared to non users; Hypertensives had stronger HR and systolic blood pressure (SBP) response to mental stress and higher body mass index (BMI), compared to normotensives; Use of tobacco seemed to increase the epinephrine level in body and higher epinephrine level was correlated with lower BMI. Consistent with phenotypic relatedness, we found numerous shared genes associated / linked to substance use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits including CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 and PRKCE forming protein interaction network, involved in synaptic plasticity and highly expressed in brain related tissues; moreover, pathway analysis on identified genes pointed (P = 0.03) to Long-Term Potentiation pathway. Large portions of variation of studied traits were explained by sex and hypertension status, focusing on tobacco use we noted that degree and the direction of correlations of obesity, hemodynamic and stress related traits with tobacco use vary according to sex and hypertension status; for instance, while in males, current tobacco users were slender compared to never or former tobacco users, there were no such differences in females; moreover, we found several obesity related traits that their correlations with smoking behavior seemingly root in genetic factors rather than smoking effect itself. Sex- and hypertension differences in heritabilities of many of these traits were also observed; meanwhile, specific subgroup genetic analyses uncovered additional shared synaptic genes among these traits including CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (Hypertension-specific), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (Sex-specific) having protein interactions with genes driven from general analysis; moreover, the results of pathway analysis and reported gene expression profiles of resulted genes from subgroup analyses revealed similar characteristics to those from general analysis. The substantial overlap among genomic determinants of substance use, stress, obesity and hemodynamic traits supports the notion that the genetic variations in pathways of synaptic plasticity may be a common interface behind them as well as observed sex and hypertension genetic differences, we also think synaptic plasticity may underlie many complex phenotypes in which life style is a contributing factor; moreover, our findings indicate considering subgroup and network-based approaches enhance understanding of polygenic nature of complex phenotypes as well as shared molecular underpinnings among them.

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent. / Links among substance use, obesity, stress and related cardiovascular outcomes may be in part due to shared genetic factors. To investigate this hypothesis, we performed genome-wide linkage and association scans for genetic components of habitual alcohol, tobacco and coffee use, response to mental and physical stress, obesity related anthropometric traits and heart rate (HR) and blood pressure (BP) measurements in 119 multigenerational French Canadian families from founder population of Saguenay-Lac-St-Jean region using 58000 SNPs and 437 microsatellite markers and followed with functional annotation on resulted genes. We found significant phenotypic correlations among substance use, obesity, stress and hemodynamic traits. For instance, alcohol and tobacco users had attenuated HR response to mental stress; moreover, tobacco users had lower BP compared to non users; Hypertensives had stronger HR and systolic blood pressure (SBP) response to mental stress and higher body mass index (BMI), compared to normotensives; Use of tobacco seemed to increase the epinephrine level in body and higher epinephrine level was correlated with lower BMI. Consistent with phenotypic relatedness, we found numerous shared genes associated / linked to substance use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits including CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 and PRKCE forming protein interaction network, involved in synaptic plasticity and highly expressed in brain related tissues; moreover, pathway analysis on identified genes pointed (P = 0.03) to Long-Term Potentiation pathway. Large portions of variation of studied traits were explained by sex and hypertension status, focusing on tobacco use we noted that degree and the direction of correlations of obesity, hemodynamic and stress related traits with tobacco use vary according to sex and hypertension status; for instance, while in males, current tobacco users were slender compared to never or former tobacco users, there were no such differences in females; moreover, we found several obesity related traits that their correlations with smoking behavior seemingly root in genetic factors rather than smoking effect itself. Sex- and hypertension differences in heritabilities of many of these traits were also observed; meanwhile, specific subgroup genetic analyses uncovered additional shared synaptic genes among these traits including CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (Hypertension-specific), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (Sex-specific) having protein interactions with genes driven from general analysis; moreover, the results of pathway analysis and reported gene expression profiles of resulted genes from subgroup analyses revealed similar characteristics to those from general analysis. The substantial overlap among genomic determinants of substance use, stress, obesity and hemodynamic traits supports the notion that the genetic variations in pathways of synaptic plasticity may be a common interface behind them as well as observed sex and hypertension genetic differences, we also think synaptic plasticity may underlie many complex phenotypes in which life style is a contributing factor; moreover, our findings indicate considering subgroup and network-based approaches enhance understanding of polygenic nature of complex phenotypes as well as shared molecular underpinnings among them.