Les UDP-glucuronosyltransférases (UGT), enzymes catalysant la réaction de glucuronidation, sont impliquées dans le métabolisme de nombreux substrats endogènes (p. ex. bilirubine et hormones stéroïdiennes) et exogènes (p. ex. agents anticancéreux et médicaments d’autres classes) grâce à leur expression, entre autres, dans les tissus du métabolisme des médicaments tels que le foie, les reins et le tractus gastro-intestinal. Ainsi, une vue d’ensemble et détaillée du transcriptome des UGT humaines apparait comme une condition importante à l’établissement de la signature métabolique d’un individu. Dans le cadre de mon projet de recherche de doctorat, nous avons mis à jour le transcriptome des dix gènes UGT humains dans des tissus normaux et tumoraux du métabolisme par séquençage de nouvelle génération d’ARN ciblés (Capture-Seq). Pour cela, des tissus de foie, de rein, d’intestin et de côlon ainsi que des tissus d’endomètre, de sein et de prostate ont été analysés. Après alignement sur le génome de référence humain (hg19), 234 nouveaux évènements d’épissage ont été identifiés. Tous les transcrits codants pour les enzymes UGT1 et UGT2 déjà connues ont été observés, ainsi que plus de 130 nouveaux transcrits présentant des structures variables et des fonctions biologiques potentiellement diverses. Ainsi, nos travaux révèlent que l’ensemble des gènes UGT est sujet à l’épissage alternatif. Ces résultats ont permis de proposer une structure génomique révisée des locus UGT ainsi que d’établir le vaste répertoire des transcrits pour chaque gène UGT dans les tissus étudiés. Enfin, l’ensemble du transcriptome des gènes UGT a été quantifié dans les principaux tissus du métabolisme des médicaments. Les résultats indiquent que les transcrits alternatifs représentent une part non négligeable et très variable du transcriptome UGT, c’est-à-dire de 6 à 100 % de l’expression génique, et qu’ils sont exprimés de façon tissu spécifique. De plus, ces données suggèrent un remodelage du transcriptome UGT en présence de néoplasie pouvant affecter la capacité de glucuronidation tumorale comparativement au tissu sain. Le programme complexe d’épissage alternatif régulant l’expression et la fonction des protéines alternatives UGT jouerait un rôle important dans la détermination de la capacité de détoxification d’un organe, affectant potentiellement la réponse aux médicaments et à d’autres composés éliminés par cette voie métabolique. La connaissance approfondie du transcriptome des UGT est cruciale afin de mieux comprendre les éléments fonctionnels des locus UGT et d’établir leur rôle dans le métabolisme des médicaments et dans la réponse à divers composés endogènes. / UDP-glucuronosyltransferases (UGT) catalyze the reaction of glucuronidation. These enzymes are involved in the metabolism of many endogenous (e.g. bilirubin and steroid hormones) and exogenous substrates (e.g. many anticancer agents and drugs of other classes). They are expressed, among others, in the tissues of drug metabolism of such as the liver, kidneys and gastrointestinal tract tissues. A comprehensive and detailed view of the human UGT transcriptome emerges as a key condition for the establishment of the metabolic signature of an individual. As part of my PhD research project, we uncover the transcriptome landscape of the 10 human UGT gene loci in normal and tumoral metabolic tissues by targeted RNA next-generation sequencing (Capture-Seq). For this, liver tissues, kidney, small intestine and colon as well as endometrial tissues, breast and prostate were analyzed. Alignment on the human hg19 reference genome identifies 234 novel exon-exon junctions. We recover all previously known UGT1 and UGT2 enzyme-coding transcripts and identify over 130 structurally and functionally diverse novel UGT variants. Our work establish for the first time that all UGT genes are subject to alternative splicing. We further expose a revised genomic structure of UGT loci and provide a comprehensive repertoire of transcripts for each UGT gene. Finally, the entire transcriptome of UGT genes was quantified in the major drugs metabolism tissues (liver, kidney and intestine). The results indicate that alternative transcripts represent a significant part of the UGT transcriptome varying from 6-100% of UGT gene expression. Data also uncover a remodelling of the UGT transcriptome occurring in a tissue- and tumor-specific manner. The complex alternative splicing program regulating UGT expression and protein functions is likely critical in determining detoxification capacity of an organ and stress-related responses, with significant impact on drug responses and diseases.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / La maladie d’Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative qui cause le plus important nombre de cas de démence. On estime que près de 15% des canadiens âgés de plus de 65 ans sont atteints de la MA. Avec le vieillissement de la population, le nombre de cas augmentera de manière substantielle dans les prochaines années. À l’heure actuelle, aucun traitement ne permet de ralentir la progression de la maladie. Pour plus de 99% des cas, ses causes exactes demeurent indéterminées. Toutefois, de nombreux facteurs de risque ont été identifiés. Parmi eux, on retrouve plusieurs facteurs liés au métabolisme énergétique dont l’obésité et le diabète de type 2 (DT2). De manière intéressante, des modifications du métabolisme, telles qu’une résistance à l’insuline centrale et périphérique, sont également observées chez les patients Alzheimer. Afin de mieux comprendre l’interaction entre le DT2 et la MA, nous avons d’abord étudié les altérations métaboliques chez la souris triple transgénique (3xTg-AD), un modèle murin de la MA. Nous avons, en premier lieu, observé une intolérance au glucose qui progresse avec l’âge, qui est plus importante chez les femelles et qui semble liée à l’accumulation du peptide beta-amyloïde (Aβ) humain dans le pancréas. Ensuite, nous avons nourri cette souris avec une diète riche en gras pour vérifier l’impact d’une aggravation des déficits métaboliques sur la pathologie Alzheimer. L’aggravation de l’intolérance au glucose chez les souris 3xTg-AD semblait liée à l’atrophie des îlots de Langerhans et, en conséquence, à une réduction de la production d’insuline en réponse à l’injection de glucose. En plus de l’aggravation des déficits métaboliques, la diète riche en gras a augmenté de manière drastique l’accumulation de la forme soluble du peptide Aβ dans le cortex et a déterioré la mémoire des souris 3xTg-AD. De manière intéressante, l’élévation du peptide Aβ et les troubles de la mémoire ont été rétablis par l’administration d’une seule dose d’insuline. Aussi, nous avons observé une augmentation du peptide Aβ dans le plasma 30 minutes à la suite de l’injection d’insuline, suggérant qu’il est possible que la baisse rapide du peptide soit en partie causée par une élévation de la clairance du peptide au cerveau. Ces résultats renforcent les évidences supportant le potentiel thérapeutique de l’insuline dans le traitement de la MA. Toutefois, les résultats chez les patients mettent en lumière l’inefficacité de l’administration intranasale d’insuline chez les porteurs de l’allèle 4 du gène de l’apolipoprotéine E (APOE4). Afin de comprendre les raisons qui expliquent cette différence de réponse à l’insuline chez les porteurs de l’APOE4, nous avons injecté des souris exprimant l’APOE3 et l’APOE4 humain avec de l’insuline dans le but de vérifier l’effet central et périphérique de l’insuline chez ces animaux. Les souris APOE4 montrent une plus importante élévation de la signalisation de l’insuline au cerveau comparativement aux souris APOE3. Cette plus haute réponse est aussi associée à une élévation plus importante de la phosphorylation de la protéine tau, un marqueur neuropathologique de la MA. En somme, ces résultats suggèrent qu’il existe un cercle vicieux entre la MA et le DT2. L’administration d’insuline a un potentiel thérapeutique intéressant pour la MA, malgré des effets limités chez les patients APOE4 en raison de son impact probable sur la phosphorylation de la protéine tau. / Alzheimer’s disease (AD) is the neurodegenerative disorder underlying most dementia cases. About 15% of canadians over 65 years suffer from AD. With the aging of the population, AD cases are expected to increase in years to come. Unfortunately, no treatment is able to slow down the progression of the disease. For more than 99% of the cases, the cause of the disease remain undetermined. However, several risks factors have been identified, including Type 2 Diabetes (T2D) which doubles the risk of developing AD at a later age. Interestingly, metabolic changes such as impaired peripheral and central insulin signaling were also identified in AD patients. To study the interelation between AD and diabetes, we first studied the impact of the induction of AD on peripheral metabolism in an animal model, the 3xTg-AD mouse. We found that the generation of AD neuropathology was associated to glucose intolerance, which progressed with age and was more important in females than in males. Furthermore, glucose intolerance was linked to the accumulation to human beta-amyloid peptide (Aβ) in the pancreas of 3xTg-AD mice. Next, we fed the 3xTg-AD mice a high-fat diet to see the impact of exacerbating metabolic deficits on AD-like neuropathology. The high-fat diet aggravated glucose intolerance and was linked to a reduce pancreatic islets size and impaired insulin production in response to glucose injection. Futhermore, high-fat diet was associated to an increased soluble Aβ accumulation in mice cortex as well as a deteriorated memory function. Interestingly, Aβ accumulation and memory funciton were restored with a single insulin injection. We also observed an increased plasma Aβ 30 min following insulin injection, suggesting that the peptide might be cleared from the brain following insulin administration. Those results strengthen the evidences suggesting that insulin might be an interesting therapeutical tool in AD. However, results in human patients using intranasal insulin suggest that APOE4 carrier do not benefit from insulin. To study the effect of APOE genotype on central insulin response, we injected APOE3 and APOE4 mice with a single insulin injection, five min before sacrifice. We found that APOE4 genotype was linked to a more important cerebral insulin signaling following insulin administration. Also, more increased phosphorylation of tau protein was observe in APOE4 mice injected with insulin. In summary, those results highlight the presence of a vicious circle between AD and T2D. Insulin administration might be an interesting therapeutical tool in AD, although it’s effects are limited in APOE4 patients.

La plupart des processus cellulaires et biologiques reposent, à un certain niveau, sur des interactions protéine-protéine (IPP). Leur manipulation avec des composés chimiques démontre un grand potentiel pour la découverte de nouveaux médicaments. Malgré la demande toujours croissante en molécules capables d'interrompre sélectivement des IPP, le développement d'inhibiteurs d’IPP est fortement limité par la grande taille de la surface d'interaction. En considérant la nature de cette surface, la capacité à mimer des structures secondaires de protéines est très importante pour lier une protéine et inhiber une IPP. Avec leurs grandes capacités peptidomimétiques et leurs propriétés pharmacologiques intéressan-tes, les peptides cycliques sont des prototypes moléculaires de choix pour découvrir des ligands de protéines et développer de nouveaux inhibiteurs d’IPP. Afin d’exploiter pleinement la grande diversité accessible avec les peptides cycliques, l’approche combinatoire «one-bead-one-compound» (OBOC) est l’approche la plus accessible et puissante. Cependant, l'utilisation des peptides cycliques dans les chimiothèques OBOC est limitée par les difficultés à séquencer les composés actifs après le criblage. Sans amine libre en N-terminal, la dégradation d'Edman et la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) ne peuvent pas être utilisées. À cet égard, nous avons développé de nouvelles approches par ouverture de cycle pour préparer et décoder des chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Notre stratégie était d'introduire un résidu sensible dans le macrocycle et comme ancrage pour permettre la linéarisation des peptides et leur largage des billes pour le séquençage par MS/MS. Tout d'abord, des résidus sensibles aux nucléophiles, aux ultraviolets ou au bromure de cyanogène ont été introduits dans un peptide cyclique et leurs rendements de clivage évalués. Ensuite, les résidus les plus prometteurs ont été utilisés dans la conception et le développement d’approches en tandem ouverture de cycle / clivage pour le décodage de chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Dans la première approche, une méthionine a été introduite dans le macrocycle comme ancrage pour simultanément permettre l’ouverture du cycle et le clivage des billes par traitement au bromure de cyanogène. Dans la seconde approche, un résidu photosensible a été utilisé dans le macrocycle comme ancrage pour permettre l’ouverture du cycle et le clivage suite à une irradiation aux ultraviolets. Le peptide linéaire généré par ces approches peut alors être efficacement séquencé par MS/MS. Enfin, une chimiothèque OBOC a été préparée et criblée la protéine HIV-1 Nef pour identifier des ligands sélectifs. Le développement de ces méthodologies permttra l'utilisation de composés macrocycliques dans les chimiothèques OBOC et constitue une contribution importante en chimie médicinale pour la découverte de ligands de protéines et le développement d'inhibiteurs d’IPP. / A great number of cellular and biological processes depend, at some level, on protein-protein interactions (PPI). Their manipulation with chemical compounds has provided a great potential for the discovery of new drugs. Despite the increasing demand for molecules able to interrupt specific PPI, the development of small PPI inhibitors is beset by a number of challenges such as the large size of the interaction interface. Based on the interface’s nature, the ability to mimic protein secondary structures is very important to bind a protein and inhibit PPI. With their interesting peptidomimetic abilities and pharmacological properties, cyclic peptides are very promising templates to discover protein ligands and development new PPI inhibitors. To fully exploit the great diversity accessible with cyclic peptides, the one-bead-one-compound (OBOC) combinatorial method is certainly the most accessible and powerful approach. Unfortunately, the use of cyclic peptides in OBOC libraries is limited by difficulties in sequencing hit compounds after the screening. Lacking a free N-terminal amine, Edman degradation cannot be used on cyclic peptides and complicated fragmentation patterns are obtained by tandem mass spectrometry (MS/MS). In this regard we have designed and developed new convenient ring-opening approaches to prepare and decode OBOC cyclic peptide libraries. Our strategy was to introduce a cleavable residue in the macrocycle and as a linker to allow linearization of peptides and their release from the beads for sequencing by MS/MS. First, amino acid residues sensible to nucleophiles, ultraviolet irradiation or cyanogens bromide were introduced in a model cyclic peptide. Afterward, the most promising residues were used to design and develop tandem ring-opening/cleavage approaches to decode OBOC cyclic peptide libraries. In the first approach a methionine residue was introduced in the macrocycle and as a linker to allow a simultaneous ring-opening and cleavage from the beads upon treatment with cyanogens bromide. In the second approach, a photosensitive residue was used in the macrocycle and as a linker for a dual ring-opening/cleavage upon UV irradiation. The linear peptide generated by these approaches can be efficiently sequenced by tandem mass spectrometry. Finally, an OBOC library has been prepared and screened against the HIV-1 Nef protein to identify selective ligands. The development of these methodologies will prompt the use of macrocyclic compounds in OBOC libraries and be an important contribution in medicinal chemistry for the discovery of protein ligands and the development of PPI inhibitors.