Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse vise à l'approfondissement des connaissances sur l'impact de l'environnement gestationnel sur le développement de la commande respiratoire chez le nouveau-né. La respiration est une activité rythmique et autonome. La maturation des réseaux neuronaux impliqués dans son contrôle commence au cours de la gestation et persiste pendant la période postnatale. Le contrôle respiratoire est donc particulièrement susceptible à des variations de l'environnement intra-utérin. Nous avons étudié l'effet de deux stress gestationnels chroniques distincts : l'exposition à des cannabinoïdes et l'exposition à une hypoxie prénatale. A l'aide de techniques intégrées telles que la pléthysmographie à corps entier, éléctrophysiologiques comme la préparation de tronc cérébrale isolé ou les tranches de bulbes et immunohisto- et neurochimiques, nous avons pu caractériser l'impact des stress prénataux étudiés sur la plasticité respiratoire développementale. Nous avons pu établir un rôle central de l'anandamide dans la modulation de la commande respiratoire, probablement via des mécanismes noradrénergiques. L'exposition prénatale au WIN 55,212-2 induit une hyperventilation basale chez la souris nouveau-née qui semble relever d'altérations périphériques. Elle induit également une accentuation de la réponse centrale à l'hypoxie aigue et affecte l'apparition d'irrégularités respiratoires telles que les apnées. Quant à l'hypoxie prénatale, elle induit une hyperventilation basale d'origine centrale ainsi qu'une augmentation de l'activité catécholaminergique du tronc cérébrale. / Breathing is an autonomic rhythmic activity. The maturation of the neuronal networks responsible for breathing control begins in early gestation and persists throughout the neonatal period. This renders breathing control particularly susceptible to early insults arising from the intra uterine environment. We have studied the effects of two such gestational stress factors, namely prenatal exposure to cannabinoids and to gestational hypoxia. We use a wide array of in vivo and in vitro techniques in order to characterise the effect of the adverse intra uterine environment on the development of respiratory control. These include integrated techniques such as whole body plethysmography, electrophysiological preparations (en bloc and brainstem slice recordings) as well as immunohisto- and neurochemical approaches. We show that the prenatal stress factors induce developmental respiratory plasticity. This translates as heightened basal ventilation, observed following prenatal exposure to both cannabinoids and hypoxia. Comparisons between in vivo and in vitro techniques reveal a peripheral origin for the alterations observed following prenatal exposure to cannabinoids, suggesting a perturbation of the initiation and/or integration of information from the peripheral carotid bodies. Following prenatal hypoxia, respiratory perturbations have a central origin and can thus be observed in reduced preparations such as brainstem slice recordings. Neurochemical and immunohistochemical assays also reveal alterations in the bioaminergic modulation of the respiratory rhythm generator, perhaps underpinning the observed effects on respiratory control.

La recherche de nouvelles molécules pour combattre Pseudomonas.aeruginosa est d'une grande importance. L'utilisation des antibiotiques a spectre large a grandement accru la résistance de P.aeruginosa aux antibiotiques. Malgré cette situation, aucune nouvelle drogue active sur P.aeruginosa n'a été introduite en pratique clinique durant les 2 dernières décennies. Le monoxyde de carbone (CO) pourrait agir comme un inhibiteur efficace de la chaîne respiratoire de P.aeruginosa mais l'utilisation pratique de ce gaz comme molécule antibactérienne est gênée par sa toxicité et les difficultés de manipulation. Une avancée fondamentale récente dans le domaine de la recherche sur le CO a été la découverte des « carbon monoxide releasing molecules » (CO-RMs), qui servent de transporteur et délivre des quantités contrôlées de CO aux systèmes biologiques.Nous montrons ici que les CO-RMs possèdent des propriétés antibactériennes contre P.aeruginosa. Cet effet antibactérien des CO-RMs à lieu à des concentrations non toxiques pour les cellules eucaryotes et passe par une interaction du CO libérer par le transporteur avec la chaîne respiratoire bactérienne. Nous présentons des résultats in vivo montrant que les CO-RMs diminuent l'inoculum bactérien et augmentent la survie des souris après une bactériémie à P.aeruginosa. La comparaison de 4 CO-RMs ayant différente structures chimiques suggère que la précence d'un métal de transition joue un rôle important dans l'activité antibactérienne des CO-RMs. Une autre découverte importante présentée dans ce travail est l'inhibition de l'activité antibactérienne de certain CO-RMs par les molécules contenant des résidus thiols. Cette découverte limite la possibilité d'utiliser les CO-RMs concernés comme des agents anti-infectieux.En considérant les résultats présentés dans ce travail, l'inhibition de la chaîne respiratoire pourrait être considérée comme un nouveau mécanisme prometteur pour la recherche de nouveaux agents pharmaceutique pour combattre les infections à P.aeruginosa. / The search of new molecules to fight Pseudomonas.aeruginosa is of paramount importance. The use of broad spectrum antibiotics has greatly increased the antibiotic resistance of P.aeruginosa. In spite of this situation, no new drug against P.aeruginosa has been successfully introduced into the clinic in the past 2 decades. Carbon monoxide (CO) could act as an effective inhibitor of the respiratory chain in P. aeruginosa but the practical use of this gas as an antibacterial molecule is hampered by its toxicity and difficulty to manipulate. A recent fundamental development in the field of CO research has been the discovery of carbon monoxide-releasing molecules (CO-RMs), which serve as carriers for the delivery of controlled amounts of CO in biological systems.Here, we show that CO-RMs possesse bactericidal properties against P.aeruginosa. This antimicrobial effect of CO-RMs occurs at non toxic concentrations for eukaryotic cells and is mediated by an interaction of CO liberated by the carrier with bacterial respiratory chain. We present in vivo results showing that CO-RMs decrease bacterial inoculum and increase survival in mice following P.aeruginosa bacteraemia. A comparison of 4 CO-RMs with different chemical structures suggests that the presence of a transition metal center plays an important role in the antibacterial activity of CO-RMs. Another important finding presented in this work is the inhibition of the antibacterial activity of some CO-RMs by thiol containing molecules. This finding could deserve the possibility to use concerning CO-RMs as anti-infective agent.Considering results presented in this work, inhibition of respiratory chain could be considered as a promising new mechanism for the research in new pharmaceutical agent to fight P.aeruginosa infections.

L’étiologie des bronchopneumonies infectieuses (BPI) des jeunes bovins est multifactorielle, mettant en cause des agents infectieux comme des bactéries, virus ou parasites, et également des facteurs de risques liés à la conduite d’élevage et à l’environnement. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux virus respiratoires bovins. Nous avons étudié le virome de l’appareil respiratoire superficiel et profond des jeunes veaux atteints de BPI par des approches de séquençage à haut débit pour mieux caractériser les co-infections virales et identifier de nouveaux virus. Par ailleurs nous nous sommes intéressés au contexte dans lequel les virus opèrent en analysant la structure, la diversité, et le dynamisme du bactériote respiratoire chez des veaux sains et atteints de BPI. Les résultats suggèrent que de nombreux virus agissent en interactions et montrent une prédominance du coronavirus bovin (BCoV) dans les cavités nasopharyngées et également dans les poumons des veaux atteints de BPI. L’étude phylogénétique des BCoV isolés indique une ségrégation entre souches européennes d’une part et américaines et asiatiques d’autre part qui semble résulter d’un phénomène de recombinaison dans les années 1960-70. Par ailleurs un astrovirus bovin a été clairement détecté pour la première fois principalement dans les poumons de veaux atteints de BPI. L’analyse du microbiote indique, elle, une disparité écologique entre cavités superficielles et profondes et des interactions possibles entre agents pathogènes connus et différentes communautés bactériennes de la flore résidente. Enfin une partie des travaux a concerné le virus influenza D (IDV), un nouveau virus respiratoire bovin émergent récemment identifié en France. Lors d’une infection expérimentale chez des veaux nous avons démontré que IDV possède un pouvoir pathogène respiratoire modéré et qu’il module la réponse immunitaire innée du veau. Nous avons aussi confirmé le caractère ubiquiste d’IDV en démontrant sa circulation sur le continent africain. En conclusion, grâce à des méthodes de séquençages à haut débit ce travail a permis une meilleure description et caractérisation des virus respiratoires bovins et de leur environnement immédiat. Il ouvre des perspectives pour mieux comprendre le rôle des interactions virales dans la genèse des signes cliniques respiratoires.

La Broncho-pneumopathie Chronique Obstructive (BPCO) est une maladie respiratoire grave caractérisée par une inflammation chronique entrainant des lésions irréversibles de l’épithélium respiratoire et du parenchyme pulmonaire. Le principal facteur de risque est le tabagisme mais des études d’association génétique pangénomiques ont montré que certains polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) des récepteurs nicotiniques (nAChRs) sont associés à l’incidence de la BPCO. Un de ces polymorphisme est le variant rs16969968 dans le 5ème exon du gène CHRNA5 codant la sous-unité α5. Le but de ce travail a été d’évaluer in vivo l’implication du SNP α5 dans les lésions pulmonaires caractérisant la BPCO et d’étudier l’impact fonctionnel du polymorphisme sur les voies de signalisation mises en jeu en aval des nAChRs. A l’aide de différents modèles in vivo murins et humains, nous avons pu montrer qu’indépendamment du tabagisme, le SNPα5 est associé à une inflammation cellulaire plus marquée, une sécrétion de cytokines pro-inflammatoires, des lésions emphysémateuses, une hyperplasie des cellules mucipares et des cellules Club moins fréquentes par rapport au génotype sauvage. Le SNPα5 est associé à une altération de la perméabilité calcique des cellules épithéliales et une modulation de la voie de signalisation AC3-PKA/C. Cette étude apporte pour la première fois une explication biologique à l’association entre le SNPα5 et la BPCO décrite dans les études d’association génétique pangénomiques à travers un rôle pro-inflammatoire du SNPα5 au niveau pulmonaire. / Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is a critical respiratory disease characterized by a chronic inflammation leading to irreversible epithelial and parenchymal injuries. The main risk factor is tobacco consumption but several genome-wide association studies (GWAS) described some single-associated polymorphisms (SNP) on nicotinic acetylcholine receptors (nACHR) genes associated with COPD incidence. One of these polymorphisms is the rs16969968 variant in the 5th exon of CHRNA5 gene coding the α5 subunit (SNP α5). The aim of this study was to determine in vivo the involvement of SNPα5 in COPD-associated lung injuries and to deciphere the functional impact of the polymorphism on nAChR signaling pathways. Thanks to several in vivo models (mouse and human), we describe here that the SNPα5 is associated, irrespective of the tobacco consumption, to an increased inflammation, pro-inflammatory cytokines secretion, emphysema, goblet cell hyperplasia, and Club cell diminution compared to the wild-type genotype. The SNPα5 is associated with a decreased calcium influx and a modulation of AC3-PKA/C pathway in airway epithelial cells. Our study describe for the first time a biological explanation for the association between SNPα5 and COPD shown in GWAS with a pro-inflammatory role of SNPα5 in the lung.

Le photopléthysmogramme (PPG) est un signal optique acquis à partir de l’oxymètre de pouls, dont l’usage principal consiste à mesurer la saturation en oxygène. Avec le développement des technologies portables, il est devenu la technique de base pour la surveillance de l’activité cardio-respiratoire des patients et la détection des anomalies. En dépit de sa simplicité d'utilisation, le déploiement de cette technique reste encore limité pour deux principales raisons : 1. L’extrême sensibilité du signal aux distorsions. 2. La non-reproductibilité entre les sujets et pour les mêmes sujets, en raison de l'âge et des conditions de santé. L’objectif de cette thèse est le développement de méthodes robustes et universelles afin d’avoir une estimation précise de la fréquence respiratoire (FR) indépendamment de la variabilité intra et interindividuelle du PPG. Plusieurs contributions originales en traitement statistiques du signal PPG sont proposées. En premier lieu, une méthode adaptative de détection des artefacts basée sur la comparaison de modèle a été développée. Des tests par la technique Random Distortion Testing sont introduits pour détecter les pulses de PPG avec des artefacts. En deuxième lieu, une analyse de plusieurs méthodes spectrales d’estimation de la FR est proposée. Afin de mettre en évidence la robustesse des méthodes proposées face à la variabilité du signal, plusieurs tests ont été effectués sur deux bases de données avec de différentes tranches d'âge et des différents modes respiratoires. En troisième lieu, un indice de qualité respiratoire spectral (SRQI) est conçu dans le but de communiquer au clinicien que les valeurs fiables de la FR avec un certain degré de confiance. / One promising area of research in clinical routine involves using photoplethysmography (PPG) for monitoring respiratory activities. PPG is an optical signal acquired from oximeters, whose principal use consists in measuring oxygen saturation. Despite its simplicity of use, the deployment of this technique is still limited because of the signal sensitivity to distortions and the non-reproducibility between subjects, but also for the same subject, due to age and health conditions. The main aim of this work is to develop robust and universal methods for estimating accurate respiratory rate regardless of the intra- and inter-individual variability that affects PPG features. For this purpose, firstly, an adaptive artefact detection method based on template matching and decision by Random Distortion Testing is introduced for detecting PPG pulses with artefacts. Secondly, an analysis of several spectral methods for Respiratory Rate (RR) estimation on two different databases, with different age ranges and different respiratory modes, is proposed. Thirdly, a Spectral Respiratory Quality Index (SRQI) is attributed to respiratory rate estimates, in order that the clinician may select only RR values with a large confidence scale. Promising results are found for two different databases.

Le virus respiratoire syncytial (VRS) est le principal agent responsable desbronchopneumonies du jeune veau et des bronchiolites du nourrisson. Il n’existe pas devaccin ni d’antiviraux spécifiques pour l’homme. La réplication du génome et la transcriptiondes gènes viraux sont assurées par un ensemble de protéines virales constituant le complexeARN polymérase ARN-dépendant : la nucléoprotéine N, la phosphoprotéine P, le facteur detranscription M2-1 et la grosse sous-unité L. L’objectif principal de ma thèse était d’obtenirde nouvelles données structurales et fonctionnelles sur le complexe ARN-polymérase ARNdépendante(RdRp) du VRS, en particulier sur le couple P-L. Pour ceci j’ai tout d’aborddéveloppé un protocole de production et purification de la protéine L sous formerecombinante en cellules d’insecte. Ceci m’a permis ensuite de cartographier le sited’interaction de P avec L. J’ai ainsi mis en évidence que la protéine L interagit avec la partieC-terminale de la protéine P, au-niveau des résidus 216 à 239. Les données obtenuessuggèrent que ce domaine peut former un nouvel élément de reconnaissance moléculaire(« MoRE ») se structurant en hélice alpha lors de l’interaction avec la protéine L. De plus, lacartographie de ce domaine d’interaction m’a permis d’identifier entre les résidus 164 et 205de P une nouvelle région impliquée dans le recrutement de la protéine L aux corpsd’inclusions viraux. Ces nouvelles données ouvrent la voie à de nouvelles études structuralesde l’ARN-polymérase du VRS et nous permettent d’envisager de nouvelles stratégiesantivirales ciblant ce complexe. / Respiratory syncytial virus (RSV) is the leading cause of calves bronchopneumonia andinfants bronchiolitis. Neither vaccine nor antiviral treatments are currently available for use inhumans. Viral genome is replicated and transcribed by a set of viral proteins constituting theviral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) complex: the nucleoprotein (N), thephosphoprotein (P), the transcription factor (M2-1) and the large subunit (L). This workaimed to unveil new structural and functional data regarding the viral RdRp, especially the PLcouple. With this aim in view, I have first conceived a protocol to produce and purifyrecombinant L and P proteins expressed in insect cells. This tool enabled the fine mappingand characterization of the L binding domain of the RSV phosphoprotein. This highlightedthe interaction between the L protein and the C-terminal region of the P protein, especiallyresidues 216 to 239. Further data suggests that this area constitutes an alpha helix formingmolecular recognition element (« MoRE ») during P-L interaction. Furthermore, this studyunveiled a new region of the P protein encompassing residues 164 to 205, involved in therecruitment of L protein to viral inclusion bodies. These new results open the way toupcoming structural studies of RSV RdRp and allow us to define a new target for thedevelopment of antiviral drugs against RSV.

L’ATP est synthétisée par les mitochondries à partir de réactions d’oxydoréduction catalysées les complexes de la chaîne respiratoire. Ces réactions impliquent des transferts d’électrons intra-protéine. Une capacité de production de l’anion superoxyde, formé par la réaction de l’oxygène avec un électron, a été identifiée pour les complexes I et III. Les espèces actives de l’oxygène (EAOs) sont des molécules dérivées de l’anion superoxyde. Si elles ne sont pas correctement régulées par les défenses antioxydantes de la cellule, ces EAOs peuvent réagir avec les composants de la cellule et nuire à son fonctionnement : ce déséquilibre est appelé stress oxydatif. L’altération d’un ou plusieurs complexes respiratoires associée à un stress oxydatif cellulaire est un mécanisme commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Dans ce travail nous nous intéressons plus particulièrement à l’atrophie optique autosomique dominante de type 1 (ADOA-1). L’ADOA-1 est une maladie neurodégénérative principalement causée par des mutations du gène codant la protéine mitochondriale OPA1 impliquée dans la dynamique mitochondriale. Les tableaux cliniques et l’âge de début de la maladie sont variables. Il n’existe pas de corrélation claire entre génotypes et phénotypes permettant d’expliquer cette variabilité ni de traitement à cette pathologie. L’hypothèse d’un stress oxydatif a été proposée pour expliquer la variabilité de ces symptômes. C’est pourquoi notre objectif est d’améliorer la compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués dans cette maladie en développant des modèles mathématiques de la production des EAOs par la chaîne respiratoire. Nous avons utilisé deux méthodes de modélisation. Dans le premier cas, nous modélisons l’activité des complexes respiratoires et la production d’anion superoxyde par les complexes I et III par des équations de vitesse que nous construisons en trois étapes. Nous analysons d’abord les données biochimiques disponibles dans la littérature. Nous proposons ensuite des interprétations physiques à ces comportements et les traduisons sous forme de règles floues. Nous modélisons enfin ces règles en utilisant des fonctions données par le formalisme de Michaelis-Menten. Les équations de vitesse sont fonction de variables chimiques telles que la concentration des espèces chimiques impliquées dans les réactions des complexes respiratoires et ne prennent pas en compte le détail des réactions intra-protéine impliquées dans le fonctionnement des complexes. Cette méthode permet de construire un modèle simple, permettant de simuler l’activité des complexes I et III et leur production de superoxyde dans différentes conditions, et qui est facilement modifiable ou intégrable dans un modèle plus complet de la mitochondrie. Le modèle du complexe I que nous avons créé, est capable de simuler l’activité catalytique et la production des EAOs en mode direct par le complexe I pour différentes configurations et concentrations de substrats et produits. / Mitochondria are cellular organelles involved in ATP (adenosine triphosphate) supply to cells. Mitochondrial ATP is produced by the oxidative phosphorylation which involves redox reactions catalysed by the four protein complexes of the mitochondrial respiratory chain. These redox reactions require intra-protein electron transfers. The complex I and complex III of the respiratory chain are able to generate superoxide anion, which is formed by the reaction of oxygen with one electron. Reactive oxygen species (ROS) are molecules derived from the superoxide anion. ROS which are not regulated by cellular antioxidant defences can react with the components of the cells and disturb its functioning: this imbalance between ROS and antioxidant defences has been termed “oxidative stress”. Dysfunctions of one or several respiratory complexes associated to an oxidative stress is a mechanism common to numerous neurodegenerative diseases. In this work, we focus on autosomal dominant optic atrophy 1 (ADOA-1 or DOA-1). DOA-1 is a neurodegenerative pathology mainly caused by mutations in the gene OPA1 which codes for a mitochondrial protein involved in mitochondrial dynamics. The symptoms and ages of onset of the disease are variable. There is no clear correlation between genotypes and phenotypes which can explain this variability and to date, there is no established medical treatment for the disease. The hypothesis of an oxidative stress has been proposed to explain the variability of symptoms observed in patients. Indeed, the mitochondrial energetic metabolism is altered in biological models (cell cultures and animal models) of DOA-1 and low levels of antioxidant defences have been measured in cells from patients suffering from severe forms of the pathology. Hence, our objective is to improve the understanding of the physio-pathological mechanisms involved in this disease by developing mathematical models of ROS production by the respiratory chain. We use two modelling methods. The first method consists in modelling the activities of respiratory complexes and the superoxide production by complexes I and III with rate equations that we build in three steps. We first analyse the biochemical data available in the literature. We subsequently interpret this data physically and translate them in the form of fuzzy rules. We then model these rules with mathematical functions provided by the formalism of Michaelis-Menten. The rate equations depend on chemical variables such as the concentrations of chemical species involved in the reactions catalysed by the respiratory complexes. They do not include the details of intra-protein electron transfers, occurring during the catalysis performed by the complexes. This method enables us to build a simple model simulating the activities and superoxyde productions of complexes I and III in different conditions and that can easily be modified or integrated in a more comprehensive model of the mitochondrion. Our model of complex I can simulate the forward and reverse activities and ROS productions of the enzyme for different concentrations of substrates and products.

De nombreuses études ont impliqué des TLR dans le développement et la progression tumorale. Précédemment, il a été démontré que les cellules tumorales expriment TLR7, un récepteur à ARNsb, et qu’une forte expression de TLR7 par les cellules tumorales de patients atteints de cancer du poumon est associée à un mauvais pronostic. Dans un modèle murin de cancer du poumon, cet effet pro-tumoral a été reproduit lors de l’injection d’agoniste de TLR7. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif de déterminer les mécanismes impliqués dans les effets pro-tumoraux de TLR7. La stimulation de ce récepteur au niveau des cellules tumorales induit une production plus importante de CCL2 et GM-CSF, ainsi qu’un fort recrutement de MDSC au site de la tumeur. Ces MDSC, de par leurs propriétés immunosuppressives sont responsables de l’effet pro-tumoral à la suite de la stimulation de TLR7. Nous avons également mis évidence que la stimulation de TLR7 était pro-métastatique dans un modèle murin de cancer du poumon et que les MDSC étaient également impliquées dans cet effet. Ces effets pro-métastatiques associés au TLR7 ont été confirmés chez l’homme, grâce à l’étude de transcrits de molécules associées à l’invasion, l’angiogénèse, la transition épithélio-mésenchymateuse et les métastases. Enfin nous avons démontré la présence de ligand de TLR7 chez les patients atteints de cancer du poumon et démontré que l’injection intratumorale de virus respiratoires, IAV et RSV, a un effet pro-tumoral dans notre modèle de cancer du poumon. Ces virus respiratoires pourraient donc être à l’origine de la surexpression de TLR7 et du mauvais pronostic associé à ce récepteur chez les patients atteints de cancer du poumon. Ces recherches ont donc permis de mettre en évidence de nouveaux facteurs aggravants dans le cancer du poumon, dont les virus respiratoires, et de découvrir les mécanismes impliqués. / Numerous studies have implicated some TLR in tumor development. Previously, we have demonstrated that lung tumor cells express TLR7, a receptor for ssRNA, and that high TLR7 expression confers to NSCLC patients bad clinical outcome. In mice models of lung cancer, we further demonstrated that the injection of TLR7 agonists led to a pro-tumoral effect.My thesis work has firstly demonstrated the mechanisms involved in the pro-tumoral effects of TLR7 in lung cancer: TLR7 stimulation on tumor cells induces a high production of CCL2 and GM -CSF, as well as a sharp MDSC recruitment within the tumor. These MDSC, by their immunosuppressive properties, are implicated in the pro-tumoral effect upon TLR7 stimulation. We also demonstrated that TLR7 stimulation was pro-metastatic in a mice model of lung cancer and that MDSC were also involved in this effect. These pro-metastatic effects associated with TLR7 have been confirmed in humans through the studies of transcripts and proteins involved in invasion, angiogenesis, Epithelial–mesenchymal transition and metastasis. Finally, we demonstrated that TLR7 ligands are present in tumor microenvironment of lung cancer patients and that intratumoral injection of respiratory viral infections such as IAV and RSV, have a pro-tumoral effect in lung cancer mice model. These respiratory viruses could therefore be at the origin of the overexpression of TLR7 and the poor clinical outcome associated with this receptor in lung cancer patients. This research has thus made possible to highlight new aggravating factors in lung cancer, including respiratory viruses, and to discover the mechanisms involved.