Les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) sont des maladies qui conduisent à une perte de la vision au cours de leur évolution. Les premiers essais cliniques utilisant la thérapie génique pour traiter ces maladies ont été réalisés et apportent des résultats encourageants. En amont de telles études, les essais précliniques s'effectuent le plus souvent sur modèle animal. Cependant, pour un certain nombre de DRH, il n'existe pas de modèle animal approprié ce qui compromet l'arrivée d'un traitement à un stade clinique. C'est le cas de la Choroïdérémie, qui représente 2% des DRH. La choroïdérémie est caractérisée par une perte de la vision nocturne dès la petite enfance et conduit à la cécité autour des 40-50 ans. Son diagnostic précoce et son évolution lente résultent en une grande fenêtre thérapeutique qui fait de la choroïdérémie une bonne candidate pour la thérapie génique. Sur le plan génétique, la maladie est causée par une mutation dans le gène CHM qui est localisé sur le chromosome X et code pour la Rab Escort Protein 1 (REP1). Cette protéine est impliquée dans le processus de prénylation de petites protéines GTPases, les protéines Rab. Afin de pallier au manque de modèle animal, nous avons généré au cours de ce travail de thèse, un modèle cellulaire humain de la choroïdérémie pour évaluer l'efficacité d'un protocole de thérapie génique sur le tissu réellement atteint in vivo. Pour cela, nous avons reprogrammé des fibroblastes de patient CHM-/y en cellules souches pluripotentes induites (iPS), que nous avons ensuite différenciées en Epithélium Pigmentaire Rétinien (EPR). Nous avons caractérisé cet EPR, montrant que c'est une couche monocellulaire polarisée possédant une morphologie et une expression de marqueurs caractéristiques. De plus, ce tissu est fonctionnel, sur le plan du transport de fluide et de la phagocytose, et possède le même phénotype biochimique que celui observé chez les patients. Dans un but de thérapie génique et afin d'évaluer le vecteur viral le plus efficace sur nos cellules, j'ai testé un panel de 5 sérotypes d'AAV et démontré que l'AAV2/5 est le plus efficient pour transduire un EPR dérivé de cellules iPS humaines. J'ai ensuite utilisé un AAV2/5-CAG-CHM afin d'évaluer l'efficacité fonctionnelle du vecteur et j'ai pu montrer qu'outre une expression correcte du transgène, le traitement de cellules de patients déficientes pour REP1 avec ce vecteur permet de restaurer une activité normale de prénylation. Nous avons donc démontré la supériorité d'efficacité de transduction de l'AAV2/5 dans des cellules d'EPR humain et soulignons le potentiel d'un modèle d'EPR pathologique dérivé de cellules iPS pour apporter une preuve de concept de thérapie génique en absence d'un modèle animal approprié. / Inherited retinal dystrophies (IRDs) lead to a progressive vision loss. The first clinical trials using gene transfer to treat such diseases have been performed with positive results. Prior to clinical trials, preclinical studies are usually performed on animal models. However, for many IRDs, appropriate animal models do not exist, which compromises their progress towards a clinical trial. An example of an IRD that lacks an appropriate model is choroideremia, which represents 2% of IRD patients. It is characterized by night blindness in childhood, followed by progressive loss of the visual field resulting in blindness by 40–50 years of age. Its early diagnosis and slow evolution result in a large therapeutic window making choroideremia a good candidate for gene therapy. Genetically, the disease is caused by a mutation in the CHM gene located on the X chromosome and encoding the Rab Escort Protein 1 (REP1). This protein is involved in the prenylation of small GTPases, the Rab proteins. To palliate the lack of an animal model, we generated a human cellular model of choroideremia in order to evaluate the efficacy of a gene therapy approach in the tissue that is affected in vivo.Towards this aim, we reprogrammed REP1-deficient fibroblasts from a CHM-/y patient into induced pluripotent stem cells (iPScs), which we differentiated into retinal pigment epithelium (RPE). We characterized the iPSc-derived RPE that is a polarized monolayer with a classic morphology, expresses characteristic markers, is functional for fluid transport and phagocytosis, and mimics the biochemical phenotype of patients. In terms of gene therapy and to evaluate the most efficient viral vector, I assayed a panel of 5 adeno-associated virus (AAV) vector serotypes and showed that AAV2/5 is the most efficient at transduce the iPSc-derived RPE. I then transduced the iPSc-derived RPE of a choroideremia patient with an AAV2/5-CAG-CHM and demonstrated that this vector is able to restore a normal prenylation function to the cells.To conclude, I demonstrated the superiority of the transduction efficiency of AAV2/5 in the iPSc-derived RPE and highlight the potential of a diseased RPE model derived from iPS cells to provide a proof of concept of gene therapy in the absence of a suitable animal model.

Influence of stress factors on tunneling nanotubes in cultivated human retinal pigment epithelial cells (ARPE-19). The eye as one of the most important sense organs of the human body is exposed to visible light radiation and other stress factors every day. Especially the retina (of the eye) is a sensible tissue for oxidative damage (Wu et al., 2006). The retinal pigment epithelium (RPE) is an important layer of the retina, which forms the outer layer and phagocytises the shed disc membranes of the photoreceptor outer segments. Furthermore, the RPE is involved in the maintenance of the visual cycle and regulates the retinal balance (Bok, 1993). To maintain those functions, a steady communication between the RPE-cells and the adjacent neighbour cells is necessary. Tunneling nanotubes (TNTs) build a newly discovered variety of cell communication and thus establish intercellular signal transduction and transport different cell components including pathogens (Rustom et al., 2004; Onfelt et al., 2006; Sherer und Mothes, 2008; Veranic et al., 2008). The formation of TNTs in the neuron-like pheochromocytoma cell line PC12 was first reported by Rustom et al in 2004. In the following years a growing number of cell types containing TNTs were described. For example a lot of TNT-reports were found between immune cells (Onfelt et al., 2004; Sowinski et al., 2008). Chinnery et al. first described TNTs in vivo in 2008. Here they found TNTs between dendritic cells in the cornea of the mouse. An important characteristic of TNTs is that they do not attach to the substratum. They contain F-actin as a characteristic feature of there structure (Rustom et al., 2004). Our study group detected the formation of TNTs between ARPE-19-cells, a human retinal pigment epithelial cell line. They contain F-actin, but no microtubules. Further it was observed an exchange of electrical signals, small molecules and even the transfer of organelles between cells via TNTs (see publication Wittig et al., 2012). It is often described in the literature, that TNTs are very sensitive against stress factors, like prolonged light excitation, mechanical and chemical stress, which then can result in rupture of the TNTs (Rustom et al., 2004; Koyanagi et al., 2005; Gurke et al., 2008a; Pontes et al., 2008; Sowinski et al., 2008; Domhan et al., 2011; Wang und Gerdes, 2012). Up to now it is widely unclear how pathological conditions influences TNTs. There are several studies, which report an induction but also an inhibition of TNT-formation by different factors. The reaction of cell-cell-interactions between RPE cells on stress factors is not jet analysed. So our motivation was, to analyse the influence of different stress factors on the number, the morphology and formation of TNTs. ARPE-19-cells were treated with blue light, with a wavelength of 470 and 405 nm, with 3000 μM glyoxal, with 200 μM H2O2, with medium without serum as well as with cytochalasin-D and latrunculin-B. With the help of differential interference contrast (DIC) microscopy the formed TNTs were counted and the morphology was evaluated. A 24 hours cultivation of untreated ARPE-19 cells resulted in 15 TNTs per 100 cells on average. After excitation of the ARPE-19-cells with blue light 470 and 405 nm the number of TNTs decreased 50 % and 28,5 % accordingly in comparison to untreated cells (100 %). Furthermore, the cell culture, which was treated with glyoxal and H2O2 resulted in a reduction of 17,5 % and 53 % TNTs in comparison to the untreated cell culture. Cells which were cultured with serum free medium had an decreased TNT-number of 56.8 % in comparison with serum containing medium. TNTs of untreated ARPE-19-cells have a diameter from 50 to 300 nm (Wittig et al., 2012). Every TNTs, which were formed under named stress factors had the same diameter like untreated cells. In this study an average TNT length of 23 +/- 16 μm was measured between cells without treatment. This correlated with the TNT-lengths of cells which excitated with blue light 405 and 470 nm with 26 +/- 13 μm and 24 +/- 14 μm. In contrast the TNT-lenghts of cells treated with glyoxal and H2O2 with 16 +/- 11 μm and 15 +/- 13 μm were less and from cells cultured without serum with 34 +/- 20 μm were above the average length of TNTs of untreated cells. TNTs of ARPE-19-cells without treatment and TNTs which were treated with stress factors contained F-actin but no microtubules. Depolymerisation of F-actin, induced by addition of cytochalasin-D or latrunculin-B, led to disappearance of TNTs. This is an evidence for the importance of F-actin as an essential component of TNTs between ARPE-19-cells. Under the influence of blue light excitation the TNTs formed as good as untreated cells after contact of migrating cells. Reason for the reduced TNT-formation under stress factors could be explained by the generation of oxidative stress due to reactive oxygen species (ROS). ROS induced under blue light- or glyoxal-treatment as well as H2O2 could influence cell function by inactivation of cell-mediated proteins or induction of F-actin oxidation with subsequent destruction of the actin-network and inhibition of the actin-polymerisation (Chen, 1993; Ballinger et al., 1999; Thornalley et al., 1999; Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Nilsson et al., 2003; Shangari und O'Brien, 2004; Zhu et al., 2005; Knels et al. 2008; Roehlecke et al., 2009). The reduced actin-polymerisation as well as the disruption of the TNTs due to changes at the actin-cytoskeleton and at the membranes could explain the reduced TNT-formation (Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Reber et al., 2002; Zhu et al., 2005; Knels et al., 2008). The inhibition of the cell growth under oxidative stress conditions and under nutritional deficiency by serum free medium could lead to a reduced TNT-formation too. In this study we found a reduction of TNT-number between ARPE-19-cells under different stress conditions. It is possible, that TNTs are formed between RPE- and photoreceptor-cells in vivo, where they can exchange useful or recyclable materials between cells (Wang et al., 2011; Wittig et al., 2012). Disruption of TNTs by reactive oxygen species could cause a decreased exchange of informations. It is possible, that the cells, RPE- as well as photoreceptor-cells, die due to a deficiency of nutrients. This could be another reason in the formation of age related macular degeneration, which shows a destruction of RPE-cells and secondary of the photoreceptorcells. / Das Auge ist als eines der wichtigsten Sinnesorgane des Menschen täglich sichtbarer Lichtstrahlung und weiteren Stressfaktoren ausgesetzt. Die Netzhaut des Auges ist besonders empfindlich für oxidative Schäden (Wu et al., 2006). Eine bedeutende Schicht der Netzhaut im Auge stellt das retinale Pigmentepithel (RPE) dar, welches die äußere Schicht der Retina bildet und täglich die abgeworfenen Photorezeptoraußensegmentscheiben phagozytiert. Zudem ist das RPE wesentlich am visuellen Prozess sowie der Aufrechterhaltung des retinalen Gleichgewichts beteiligt (Bok, 1993). Um diese Funktionen zu gewährleisten, ist eine ständige Kommunikation zwischen den RPEZellen sowie zu angrenzenden Nachbarzellen innerhalb der Netzhaut notwendig. So ist über Tunneling Nanotubes (TNTs), als neu entdeckte Kommunikationsform, ein interzellulärer Transport von Signalen und verschiedensten Zellkomponenten, aber auch von Pathogenen, möglich (Rustom et al., 2004; Onfelt et al., 2006; Sherer und Mothes, 2008; Veranic et al., 2008). Erstmals 2004 beschrieben Rustom et al. die Bildung von TNTs zwischen Rattennierenzellen in vitro. In den folgenden Jahren kam es zu einer Vielzahl weiterer TNT-Entdeckungen zwischen verschiedensten Zellen in vitro. So findet man zum Beispiel vermehrt TNTBeschreibungen zwischen Immunzellen (Onfelt et al., 2004; Sowinski et al., 2008). Ein erster Nachweis an TNTs in vivo erfolgte 2008 durch die Arbeitsgruppe Chinnery et al.. Hierbei fand man TNTs zwischen dendritischen Zellen in der Mauscornea. Ein wichtiges Merkmal von TNTs ist, dass sie sich als frei im Medium schwebende interzelluläre Verbindungen darstellen, ohne Kontakt zum Substrat zu haben. TNTs sind im Wesentlichen als stabilisierendes Hauptstrukturmerkmal aus Aktin aufgebaut (Rustom et al., 2004). In unserer Arbeitsgruppe wurde die Bildung von TNTs zwischen ARPE-19-Zellen, einer humanen Pigmentepithelzelllinie, entdeckt. Neben dem strukturellen Aufbau aus Aktin, konnte ein Austausch von elektrischen Signalen sowie molekularen Stoffen und der Transport von Organellen (Mitochondrien) durch TNTs zwischen ARPE-19-Zellen nachgewiesen werden (siehe Publikation Wittig et al., 2012). Wie schon mehrfach in der Literatur beschrieben, reagieren TNTs sehr sensibel auf Stressfaktoren, so zum Beispiel auf längere Lichtreizung, mechanischen und chemischen Stress, was jeweils zur Ruptur der Strukturen führen kann (Rustom et al., 2004; Koyanagi et al., 2005; Gurke et al., 2008; Pontes et al., 2008; Sowinski et al., 2008; Domhan et al., 2011; Wang und Gerdes, 2012). Weitgehend unklar ist bisher der Einfluss von pathologischen Bedingungen auf die TNTs. Es gibt mehrere Studien, in denen durch verschiedenste Faktoren über eine Induktion, aber auch über eine Hemmung der TNT-Bildung berichtet wurde. Die Reaktion von Zell-Zell-Interaktionen zwischen RPE-Zellen auf Stressfaktoren wurde bisher in wissenschaftlichen Arbeiten nicht untersucht. Dies nahmen wir zum Anlass, den Einfluss von unterschiedlichen Stressfaktoren auf die Anzahl von TNTs, ihre Morphologie und Bildung zu untersuchen. Es erfolgte eine Behandlung der ARPE-19-Zellen mit Blaulicht in den Wellenlängen 405 und 470 nm, mit 3000 μM Glyoxal, mit 200 μM H2O2, mit serumfreiem Medium sowie mit Cytochalasin D und Latrunculin B. Die gebildeten TNTs wurden anschließend mit Hilfe der Lichtmikroskopie ausgezählt sowie deren Morphologie beurteilt. So bildeten unbehandelte ARPE-19-Zellen nach 24 Stunden Kultivierung im Durchschnitt 15 TNTs pro 100 Zellen aus. Nach 24stündiger Bestrahlung der ARPE-19-Zellen mit Blaulicht 470 nm und 405 nm fiel die TNT-Anzahl auf 50 % und 28,5 % im Vergleich zu unbehandelten Zellen (100 %). Weiterhin fanden sich in den Glyoxal- und H2O2-behandelten Kulturschalen 17,5 % und 53 % TNTs verglichen mit der unbehandelten Zellkultur. In der serumfreien Kulturschale verringerten sich die TNTs 24 Stunden nach Ausplattierung der Zellen auf 56,8 % im Vergleich zu in Medium mit Serum kultivierten Zellen. TNTs unbehandelter ARPE-19-Zellen besitzen einen Durchmesser von 50 bis 300 nm (Wittig et al., 2012). Alle unter oben genannten Stressfaktoren gebildeten TNTs befanden sich in Hinblick auf ihren Durchmesser im Bereich der TNTs unbehandelter Zellen. Bei TNTs unbehandelter Zellen wurde in dieser Arbeit eine durchschnittliche Länge von 23 +/- 16 μm gemessen. Dies entsprach dem TNT-Längendurchschnitt von mit Blaulicht 405 nm und 470 nm bestrahlter ARPE-19-Zellen mit 26 +/- 13 μm und mit 24 +/- 14 μm. Unter Glyoxal und H2O2 gebildete TNTs lagen im Gegensatz dazu mit 16 +/- 11 μm und 15 +/- 13 μm unterhalb und unter serumfreier Kultivierung mit 34 +/- 20 μm über dem TNTLängendurchschnitt unbehandelter Zellen. Alle TNTs, sowohl unbehandelter als auch mit Stressfaktoren behandelter ARPE-19-Zellen, sind aus Aktin aufgebaut. Jedoch ließ sich kein Tubulin nachweisen. Nach Zugabe von Aktinpolymerisationshemmern waren keine TNTs nachweisbar, was beweist, dass F-Aktin essentieller Bestandteil von TNTs zwischen ARPE-19-Zellen ist. Unter dem Einfluss von Blaulicht 470 und 405 nm bildeten sich die TNTs, wie auch bei unbehandelten Zellen, durch ein Zusammentreffen der Zellen mit anschließendem Auseinandergleiten. Die Ursache für die verminderte Bildung an TNTs unter verschiedenen Stressfaktoren könnte in der Entstehung von oxidativem Stress durch die Ausbildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) begründet sein. So können zum Beispiel die unter Blaulicht- und Glyoxalexposition entstehenden ROS sowie H2O2, als eine Hauptform der ROS, die Zellfunktion durch Inaktivierung zellulärer Proteine beeinflussen sowie eine direkte Oxidation an Aktin hervorrufen mit folglicher Aktinnetzwerkzerstörung und Hemmung der Aktinpolymerisation (Chen, 1993; Ballinger et al., 1999; Thornalley et al., 1999; Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Nilsson et al., 2003; Shangari und O'Brien, 2004; Zhu et al., 2005; Knels, Worm et al. 2008; Roehlecke et al., 2009). Die verminderte Aktinpolymerisation, aber auch die Zerreißungen der TNTs durch Veränderungen am Aktinzytoskelett sowie an den Membranen könnten zu einer verringerten TNT-Bildung führen (Valen et al., 1999; Dalle-Donne et al., 2002; Reber et al., 2002; Zhu et al., 2005; Knels et al., 2008). Auch eine Hemmung des Zellwachstums unter oxidativen Stressbedingungen sowie unter Nährstoffmangel durch Serumentzug könnte mit einer verminderten TNT-Bildung einhergehen. Wir haben in unserer Untersuchung gezeigt, dass es durch verschiedene Stresseinflüsse zu einer Reduktion der TNTs zwischen ARPE-19-Zellen kommt. Es ist denkbar, dass solche TNTs in vivo zwischen RPE- und Photorezeptorzellen ausgebildet werden, wo sie nützliches oder recycelbares Material zwischen Zellen austauschen (Wang et al., 2011; Wittig et al., 2012). Bei Zerstörung der TNTs durch zum Beispiel oxidative Faktoren könnte es zu einer Verringerung des Informationsaustausches kommen. Es ist möglich, dass durch die Minderversorgung die Zellen absterben, sowohl RPE- als auch Photorezeptorzellen. Dies könnte ein weiterer möglicher Ursachenansatz in der Entstehung der altersabhängigen Makuladegeneration sein, welche als Erkrankungserscheinung den Untergang der RPEZellen und damit sekundär der Photorezeptorzellen aufweist.

We investigated attachment and migration of human retinal pigment epithelial cells (primary, SV40-transfected and ARPE-19) on nanoscopically defined, two-dimensional matrices composed of parallel-aligned collagen type I fibrils. These matrices were used non-cross-linked (native) or after riboflavin/UV-A cross-linking to study cell attachment and migration by time-lapse video microscopy. Expression of collagen type I and IV, MMP-2 and of the collagen-binding integrin subunit α2 were examined by immunofluorescence and Western blotting. SV40-RPE cells quickly attached to the nanostructured collagen matrices and aligned along the collagen fibrils. However, they disrupted both native and cross-linked collagen matrices within 5 h. Primary RPE cells aligned more slowly without destroying either native or cross-linked substrates. Compared to primary RPE cells, ARPE-19 cells showed reduced alignment but partially disrupted the matrices within 20 h after seeding. Expression of the collagen type I-binding integrin subunit α2 was highest in SV40-RPE cells, lower in primary RPE cells and almost undetectable in ARPE-19 cells. Thus, integrin α2 expression levels directly correlated with the degree of cell alignment in all examined RPE cell types. Specific integrin subunit α2-mediated matrix binding was verified by preincubation with an α2-function-blocking antibody, which impaired cell adhesion and alignment to varying degrees in primary and SV40-RPE cells. Since native matrices supported extended and directed primary RPE cell growth, optimizing the matrix production procedure may in the future yield nanostructured collagen matrices serving as transferable cell sheet carriers. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Epidermal growth factor (EGF) previously has been shown to stimulate short-term survival in vitro of cells derived from the native amphibian retinal pigment epithelium (RPE). In the present experiments, we have examined intracellular signaling pathways responsible for mediating these survival-specific growth factor effects, distinct from proliferative effects, using the human epithelial cell line RPE D407. When maintained as single cells in suspension culture in the absence of serum and exogenous survival factors, RPE D407 cell viability gradually declined over a 3-4 day period as a result of apoptotic cell death, a pattern similar to that seen for eye-derived RPE cells. Exposure to EGF (50 ng ml-1) enhanced cell survival by nearly 40% and caused a parallel increase in the tyrosine phosphate content of the EGF receptor (EGFR), as determined by immunoprecipitation and Western blotting. Both effects were completely blocked by 1μM AG1478, an EGFR-selective tyrosine kinase inhibitor. EGF also stimulated phosphorylation of the phosphatidylinositol 3′-kinase (PI3K)-dependent effector kinase Akt, as well as that of the MEK-dependent mitogen-activated kinase (MAPK), extracellular signal-regulated kinase (ERK). Furthermore, EGF-induced protection was substantially reduced by either the PI3K inhibitor LY294002 (25μM) or the MEK inhibitor U0126 (10μM), under conditions in which phosphorylation of Akt and ERK1/2, respectively, was blocked. Our results indicate that EGF-stimulated survival of RPE D407 cells takes place as a result of signaling through both PI3K and ERK/MAPK pathways. Further, residual anti-apoptotic activity stimulated by EGF in the presence of both blockers suggests that additional as yet unidentified growth factor-dependent survival pathways exist.

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Les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) sont un groupe de maladies génétiquement et cliniquement hétérogènes, lesquelles se caractérisent par une perte progressive de la vision. La choroïdérémie (CHM) est une choriorétinopathie qui représente environ 3% des DRH. Elle se caractérise par une cécité nocturne durant l’enfance suivie par une perte du champ visuel périphérique lente et progressive. Cela aboutit à une cécité vers l’âge de 40 à 50 ans. Généralement, la vision centrale demeure préservée plus longtemps. Génétiquement, la maladie est causée par des mutations dans le gène CHM localisé dans le chromosome X qui code pour la Rab Escort Protein 1 (REP1).Cette protéine est impliquée dans la prénylation des Rab GTPasas qui régulent le trafic vésiculaire au sein de la cellule. La plupart des mutations responsables de la maladie sont des mutations pertes de fonction. La conséquence de ces mutations est l’absence de REP1 entrainant un défaut de prénylation des Rabs. Ce qui cause la dégénérescence des photorécepteurs, de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) et de la choroïde. À ce jour, il n’existe pas de thérapie pour la CHM. Cependant, le diagnostic précoce de la maladie et son évolution lente donnent une fenêtre thérapeutique large et en font un candidat idéal pour la réussite d’un traitement.En raison de l’absence d’un modèle animal pertinent pour tester de nouvelles thérapies pour cette maladie, nous avons développé un modèle cellulaire humain d’EPR in vitro dérivé des cellules pluripotentes induites propres au patient. Ce tissu est morphologiquement et fonctionnellement représentatif de l’EPR in vivo et reproduit les défauts biochimiques de prénylation présents dans la CHM. De ce fait, il s’agit d’un modèle puissant pour évaluer l’efficacité de différentes approches thérapeutiques. Dans cette perspective, nous avons étudié une approche de thérapie génique par AAV2/5 afin de fournir le gène CHM dans le cas particulier de mutation faux sens et l’utilisation d’une translational read-through inducing drug (TRID) PTC124 pour le traitement des mutations non-sens.J’ai démontré pour la première fois la faisabilité de la thérapie génique pour la CHM dans le cas d’une expression résiduelle de REP1 muté, permettant de considérer les patients porteurs de mutations faux sens comme éligible à des essais cliniques de thérapie génique. De plus, j’ai démontré que l’efficacité de PTC124 peut être dépendante du type cellulaire. Dans l’ensemble, mes résultats suggèrent que l’efficacité de la molécule semblerait dépendre de la conservation de l’acide aminé muté et de sa localisation dans le domaine fonctionnel de REP1. Nous avons ainsi mis en valeur que le contexte génétique devrait être pris en compte dans la perspective d’une thérapie avec TRID pour cette maladie ainsi que d’autres pathologies.Pour conclure, j’ai souligné le potentiel prédictif du modèle d’EPR dérivé d’iPSc propre au patient pour évaluer de nouvelles approches thérapeutiques en l’absence d’un modèle animal approprié avant les essais cliniques. / Inherited retinal dystrophies (IRDs) are a class of genetically and clinically heterogeneous diseases, which are characterized by a progressive loss of vision. Choroideremia (CHM) is a chorioretinopathy, which accounts for ~3% of all IRDs. It is characterized by night blindness in childhood, followed by slow and progressive loss of the peripheral visual field. This results in legal blindness by the fourth to fifth decade of life. Generally, central vision is preserved till late in life. Genetically, the disease is caused by mutations in the CHM gene located on the X chromosome and encoding the Rab Escort Protein 1 (REP1). This protein is involved in the prenylation of Rab GTPasas, which regulate vesicular cell trafficking. Most of the disease-causing mutations are loss-of-function and the absence of REP1 leads to a Rab prenylation defect and subsequent degeneration of photoreceptors, retinal pigment epithelium (RPE) and underlying choroid. To date, an established therapy is not available for CHM, but the early diagnosis and its slow evolution provide a large therapeutic window, that renders this disease a good candidate for successful treatment.In order to palliate the lack of a pertinent animal model for testing novel disease therapies, we developed a human cellular model using patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSc)-derived RPE. This tissue is morphologically and functionally representative of the RPE in vivo, and reproduces the biochemical prenylation defect present in CHM. Therefore, it is a powerful model to evaluate the efficacy of different therapeutic approaches. Along this line, we investigated a gene augmentation approach, via AAV2/5 delivery of the CHM gene in the particular case of a CHM missense mutation, and the use of the translational read-through inducing drug (TRID) PTC124 for treating CHM nonsense mutations.I demonstrated for the first time the feasibility of gene augmentation therapy for CHM in the case of residual mutated REP1 expression, suggesting that missense-carrying patients can be considered for inclusion in clinical gene therapy trials. Moreover, I showed that the efficiency of PTC124 may be dependent on the cell type. In addition, my results suggest that drug efficiency likely depends on the conservation of the mutated amino acid residue and its localization with regards to REP1 functional domains. We thus highlight that genetic considerations should be taken into account when considering TRID therapy for this and other disorders.Taken together, I highlighted the predictive potential of the patient-specific iPSc-derived RPE model for screening of novel and varied therapeutic approaches in the absence of a suitable animal model prior to clinical translation.

L’ostéopétrose est une pathologie osseuse caractérisée par des os denses et fragiles principalement due à l’incapacité des ostéoclastes, cellules d’origine hématopoïétique, à résorber le tissu osseux. La forme la plus sévère de cette maladie génétique est l’ostéopétrose autosomale récessive infantile due à une mutation du gène Ostm1 (Protéine transmembranaire de type 1 associée à l'ostéopétrose). Le gène Ostm1 est exprimé principalement dans la lignée des cellules hématopoïétiques, mais aussi dans le système nerveux central et les mélanocytes. Cette mutation développe plusieurs symptômes comme l’apparition d’une couleur de pelage gris chez la souris, une anémie sévère, une sensibilité aux infections et des troubles neuronaux chez l’homme et la souris. Afin de mieux comprendre cette maladie, nous avons généré des souris transgéniques sur un fond génétique grey-lethal (gl) dans lesquelles l’expression d’Ostm1 est ciblée à un tissu spécifique. Nous avons caractérisé le gène Ostm1 responsable de la mutation ostéopétrotique spontanée gl chez la souris. La complémentation fonctionnelle des défauts hématopoïétiques a été obtenue dans les souris transgéniques PU.1-Ostm1-gl/gl mais ces souris meurent prématurément avec une neurodegénérescence sévère. Cette perte cellulaire affecte le système nerveux central dans son ensemble incluant la rétine. Ce mémoire porte sur le but d’établir le profil d’expression du gène Ostm1 dans la rétine puisque la perte du gène entraine une dégénérescence rétinienne. Pour définir le rôle d’Ostm1 dans la rétine, nous avons caractérisé son expression dans ce tissu (organe). Des analyses PCR, démontrent une expression d’Ostm1 dans l’œil total et enrichie dans la neurorétine et dans l’épithélium pigmentée (RPE). Après avoir caractérisé avec des marqueurs protéiques spécifiques les sous populations cellulaires de la rétine, in situ hybridation détecte l’expression préférentielle d’Ostm1 dans l’épithélium pigmentée (RPE) et la couche nucléaire interne (INL). Basé sur ce profil d’expression, nous avons induit dans un premier temps la perte de fonction d’Ostm1 spécifiquement dans le RPE. Dans un premier temps nous avons vérifié que l’expression de la recombinasse Cre seule n’est pas toxique. Nous avons ensuite induit la perte d’expression d’Ostm1 dans ces cellules et démontré que la perte d’Ostm1 dans le RPE se traduit par une perte graduelle des photorécepteurs avec l’âge. Ces résultats préliminaires suggèrent que l’expression post-natale d’Ostm1 dans le RPE est essentielle au maintien de l’homéostasie des photorécepteurs dans la rétine. / Osteopetrosis is a disease characterized by high bone density and fragility principally caused by impaired activity of osteoclasts, which are cells that reside in bone and dissolve bone tissue. The most severe form of osteopetrosis is infantile autosomal recessive osteopetrosis (ARO) which is caused by mutations in genes Ostm1. As Ostm1(osteopetrosis-associated transmembrane protein 1) is expressed in multiple hematopoietic stem cell lineages, melanocytes and the nervous system, mutations in Ostm1 can cause coat color change in mice as well as bone fragility, anemia, infections and neuronal disorders in humans and mice. To further the understanding of these conditions linked with Ostm1 loss, multiple tissue specific Ostm1 transgenic mice over an Ostm1 knockout (gl/gl) background were constructed. To better understand this disease, we characterized the Ostm1 gene responsible for the spontaneous osteopetrotic mutation grey- lethal (gl) in mice. Functional complementation of hematopoietic defects was obtained in PU.1-Ostm1-gl/gl transgenic mice, but these mice die prematurely with severe neurodegeneration. This indicates that Ostm1 has a crucial role in neuronal and retinal health. As a result, we wished to establish an expression profile of Ostm1 in all the layers of the retina to further decipher the role of Ostm1 in the retina. Polymerase chain reaction (PCR) of reverse-transcribed mRNA of separated sections of the eye demonstrate that Ostm1 is expressed in the whole eye, neuroretina and retinal pigmented epithelium (RPE). Further specific expression analyses were performed by in- situ hybridization which showed that Ostm1 is expressed specifically in the inner nuclear layer of the neuroretina as well as in the RPE. Based on this tissue expression pattern, we have constructed, for the first time, an RPE specific knockdown of Ostm1 expression and verified that the expression of Cre recombinase in this tissue is not toxic. The reduction of Ostm1 in the RPE of the eye resulted in gradual loss of photoreceptors of the retina. These preliminary results suggest that the post-natal expression of Ostm1 in the RPE is essential for maintaining the homeostasis of the photoreceptors of the retina.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est l’une des principales causes de la perte de vision chez les personnes âgées. Dans la DMLA de forme sèche, le stress oxydatif, l’inflammation et la dysfonction lipidique causent la perte des cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien (RPE) qui sont essentielles au maintien des photorécepteurs. Nous avons précédemment démontré qu’un ligand sélectif du CD36 permet de préserver la fonction rétinienne dans un modèle murin de la DMLA. Cependant, l’effet des ligands synthétiques du CD36 dans la protection du RPE n’a jamais été vérifié. L’objectif de cette étude était de caractériser l’effet cytoprotecteur du ligand du CD36 MPE-001 sur le RPE contre le stress oxydatif. Le stress oxydatif a été induit chez la lignée humaine hTERT RPE-1 par le NaIO3. Il a été observé que le MPE-001 diminue la production de superoxydes mitochondriaux et l’apoptose des cellules du RPE sans toutefois affecter le système antioxydant au niveau transcriptionnel. Des essais par immunobuvardage et par immunocytochimie ont montré que le NaIO3 perturbe le flux autophagique, alors que le MPE-001 le rétablit. L’effet protecteur du MPE-001 était complètement aboli par les inhibiteurs de l’autophagie wortmannin et bafilomycine A1. En conclusion, nous avons démontré pour la première fois qu’un ligand du CD36 protège les cellules du RPE contre le stress oxydatif de façon autophagie-dépendante. Nous proposons la modulation du stress oxydatif chez le RPE par l’activation du CD36 comme stratégie potentielle pour traiter la DMLA de forme sèche. / Age-related macular degeneration (AMD) is a leading cause of irreversible blindness in the elderly population. The retinal pigment epithelium (RPE) is a monolayer of epithelial cells that are critical in maintaining retinal neurons. Oxidative stress, inflammation and defects in lipid clearance are thought to cause damages to the RPE and the eventual loss of photoreceptors in the dry form of AMD. CD36 is a scavenger receptor that plays an important role in inflammation and lipid homeostasis. We have previously shown that stimulation of CD36 by a selective ligand preserves photoreceptor function in high fat high cholesterol diet-fed Apoe-/- mice, a mouse model of AMD. The effect of CD36 ligands on RPE cells protection from oxidative insults, however, had yet to be investigated. In this study, we aimed to study the cytoprotective effect of the CD36 ligand MPE-001 in RPE cells exposed to oxidative stress. Oxidative stress was induced in the human RPE cell line hTERT RPE-1 using NaIO3. MPE-001 was observed to decrease NaIO3-induced mitochondrial superoxide production and apoptosis, with no transcriptional effect on antioxidant enzymes. Immunoblotting and immunostaining showed that NaIO3 disrupts autophagic flux while MPE-001 co-treatment restores it. The protective effect of MPE-001 was completely abolished by the autophagy inhibitors wortmannin and bafilomycin A1. In conclusion, we report for the first time that a CD36 ligand confers protection to RPE cells under oxidative stress through the improvement of autophagic process. We therefore propose modulation of oxidative stress by CD36 ligands as a potential strategy to treat dry AMD.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est une des premières causes de cécité pour les personnes âgées de plus de 50 ans. Elle existe sous deux formes : sèche et humide. La forme causant les pertes de vision les plus sévères et rapides est DMLA humide où des nouveaux vaisseaux sanguins anormaux se forment dans la rétine; ce processus est appelé la néovascularisation choroïdienne. Celui-ci est causé par la dégradation des différentes membranes de la rétine et de l’augmentation du VEGF stimulant la croissance de ces vaisseaux. L’obésité, l’hypertension, le diabète et la cigarette sont connus pour être des facteurs modifiables et fortement corrélés avec la maladie. Avec l’arrivée des nombreuses diètes tendances, le jeûne intermittent pourrait être une intervention non-pharmacologique impactant l’obésité, l’hypertension et le diabète. En effet, cette diète est reconnue pour améliorer la santé, améliore la sensibilité à l’insuline et la tolérance glucose, diminuer le cholestérol sanguin et exercerait un effet bénéfique sur l’obésité. Ce mémoire a été entrepris dans le but d’évaluer les avantages potentiels du cycle de diète, soit le jeûne intermittent, sur la néovascularisation choroïdienne dans un modèle de DMLA. Nous avons émis l’hypothèse que le jeûne intermittent permet la diminution de la néovascularisation choroïdienne. Nos résultats montrent que les souris sous le régime jeûne intermittent que nous avons utilisé, c’est-à-dire 2 jours d’alimentation pour 1 jour de jeûne, ne perdent pas de poids, et suivent le même schéma de prise de poids que les souris nourries à volonté. De plus, les souris sous jeûne intermittent n’ont pas d’avantage métabolique que ce soit au niveau du glucose et, encore, moins au niveau de l’insuline. Les résultats ne permettent pas de montrer une différence au niveau de la néovascularisation choroïdienne induit par notre modèle. Le modèle de jeûne intermittent choisit ne permet pas d’obtenir des avantages au niveau de la néovascularisation choroïdienne ni pour la sensibilité au glucose et à l’insuline / Age-related macular degeneration (AMD) is one of the most prominent causes of blindness for people over 50 years old. It exists in two forms: dry and wet. The form causing majority of loss of sight is caused by wet AMD from where new abnormal blood vessels form in retina. This process is called choroidal neovascularization. This is caused by degeneration of outer portion of the retina and an increase in VEGF that instigate the growth of the new blood vessels. Obesity, hypertension, diabetes and smoking are known to be modifiable factors and strongly correlated with the disease. The advent of a vast number of trendy diets has introduced the possibility of modulating chronic disease by modifying eating habits. As an example, intermittent fasting can impacting obesity, hypertension, and diabetes. Indeed, this diet has been known to improve health, increase sensitivity of insulin and glucose, lower cholesterol and to have beneficial effect in obesity. The purpose of the research in my master’s thesis is to evaluate the influence of diet cycle, intermittent fasting on choroidal neovascularization in a mouse model of AMD. We hypothesized that the intermittent fasting could be diminish the choroidal neovascularization. There are several experimental paradigms that reproduce intermittent fasting. We selected the intermittent fasting 2 days of eating for one day of fasting (IF 2:1). Our results show that mice on our selected intermittent fasting regimen did not lose weight and follow the same pattern of weight gain as the mice that fed ad libitum. Furthermore, the mice on this intermittent fasting diet paradigm didn’t have metabolic benefits on glucose or insulin tolerance. Our results also did not show any differences in choroidal neovascularization. Hence, the 2:1 paradigm of intermittent fasting didn’t show any benefits on choroidal neovascularization, nor glucose and insulin.

L'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) est une monocouche formée de cellules hautement spécialisées et uniques dont les nombreuses fonctions servent à maintenir une vision adéquate. En revanche, ces fonctions spécifiques rendent les cellules de l’EPR particulièrement vulnérables au stress oxydant. Avec le vieillissement, les cellules de l’EPR peuvent dégénérer et devenir non-fonctionnelles, donnant lieu à plusieurs maladies telles que la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). Dans les pays occidentaux, la DMLA est la principale cause de cécité et de déficience visuelle chez les personnes âgées. En fait, environ 90 % des patients atteints de la DMLA souffrent de la forme sèche, pour laquelle il n'existe aucun traitement. Des années de recherche ont établi que le stress oxydant est un contributeur majeur à la pathogenèse de la DMLA sèche. De nombreuses études ont montré que le stress oxydant induit les cellules de l’EPR à libérer des vésicules extracellulaires (VEs). Nos propres travaux ont démontré que les VEs peuvent induire le stress oxydant et la sénescence chez les cellules de l’EPR. Comme d'autres, nous avons constaté que les VEs étaient enrichis en microARNs. Grâce au séquençage d’ARN, nous avons identifié le let-7f comme étant l'un des microARNs les plus abondants contenus dans ces vésicules. L'objectif de ce mémoire a été l’exploration entre la relation let-7f et la dégénérescence des cellules de l’EPR. Nos résultats ont démontré une régulation et une augmentation de l’expression du let-7f dans les cellules de l’EPR sous stress oxydant, in vitro et in vivo. De plus, la surexpression du let-7f a généré un stress oxydant, le dysfonctionnement et la sénescence des cellules humaines de l’EPR (ARPE-19). De plus, l’inhibition du let-7f à protéger ces cellules contre les conséquences néfastes induites par l’iodate de sodium. En somme, les résultats de ce travail suggèrent fortement que le let-7f est impliqué dans la dégénérescence des cellules de l’EPR et pourraient aider à la découverte de nouveaux processus pertinents dans la pathogenèse de la DMLA sèche. / The retinal pigment epithelium (RPE) is a highly specialized and unique monolayer of cells whose many functions are vital for maintaining proper vision. In turn, these specific functions render RPE cells particularly vulnerable to oxidative injury. With age, RPE cells can degenerate and become dysfunctional, giving rise to various disorders such as age-related macular degeneration (AMD). In western countries, AMD is the primary cause of blindness and visual impairments in the elderly. In fact, approximately 90% of all AMD patients suffer from the dry form of the disease, for which there exist no approved treatment. Decades of research have established that chronic oxidative stress is a major contributor to the pathogenesis of dry AMD. Numerous studies have shown that oxidative stress induces RPE cells to release extracellular vesicles (EVs) which participate in cell-to-cell communication. Our recent work has demonstrated that EVs alone were sufficient in inducing oxidative stress and senescence in RPE cells. Consistent with others, we found that EVs released by RPE cells were enriched in microRNAs. RNA-sequencing identified let-7f as one of the most abundant miRNAs contained in these vesicles. Despite being one of the first miRNAs to be discovered, the role of let-7f in RPE cells has remained essentially unexplored. The aim of this dissertation was to investigate the relationship between let-7f and RPE cells in regards to their degeneration and dysfunction. Our results revealed that the expression of let-7f increased and was regulated by oxidative stress in RPE cells, in vitro and in vivo. In addition, let-7f overexpression promoted oxidative stress, cellular dysfunction and senescence in human RPE (ARPE-19) cells. Finally, inhibition of let-7f exhibited protective effects against sodium iodate-induced oxidative injury. Overall, the findings in this work provide strong evidence that let-7f is implicated in the degeneration of RPE cells and further mechanistic investigation may help to uncover novel insights into the genesis of dry AMD.