La rétine est un tissu spécialisé dans le traitement de l'information visuelle par l'intermédiaire des photorécepteurs, cônes et bâtonnets, et des neurones de deuxième ordre, les cellules bipolaires et les cellules ganglionnaires dont les axones forment le nerf optique. Notre groupe s'intéresse à élucider les mécanismes génétiques impliqués dans les maladies rares stationnaires, comme dans la cécité nocturne congénitale stationnaire (CNCS), ou progressives comme dans la dystrophie de type bâtonnet-cône (DBC). Cette thèse apporte de nombreuses connaissances sur la physiologie rétinienne. D'une part, nous avons identifié GPR179, un nouveau gène impliqué dans la CNCS complète, étudié la localisation de la protéine et la physiopathologie des protéines mutantes. Nous avons également créé et caractérisé fonctionnellement un nouveau modèle souris invalidé pour GPR179 qui nous a permis de mieux approcher la première synapse rétinienne entre les photorécepteurs et les cellules bipolaires adjacentes. D'autre part, nous avons caractérisé le génotype et le phénotype de l'un des modèles les plus utilisés de la DBC, le rat P23H. Nous avons ensuite développé une approche d'édition génomique pour invalider les mutants RHO ayant un effet dominant négatif en testant in vitro, ex vivo et in vivo les meganucleases, TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) puis le système CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein 9). / The first steps in vision occur in the retina when rod and cone photoreceptors transform light into a biochemical signal, which gets processed by bipolar cells, ganglion cells and finally by the brain. Our group investigates genetic causes and mechanisms involved in inherited stationary and progressive retinal diseases as congenital stationary night blindness (CSNB), and rod-cone dystrophy (RCD), also called retinitis pigmentosa. This thesis gives several insights on the retinal physiology. On one hand, we identified GPR179, a new gene mutated in complete CSNB, studied the localization and the physiopathology of missense and splice-site mutations. We also delivered a new knock-out mouse model which we functionally characterized, and studied GPR179 partners to provide a better understanding of the first visual synapse between photoreceptors and ON-bipolar cells. On the other hand, we genotypically and phenotypically characterized one of the most popular RCD model, the P23H rat model. There is currently no treatment for RCD and different therapeutic strategies are under investigation. We wanted to deliver the basis for a genome editing approach for RHO mutations, acting as a dominant negative effect, which cannot be addressed by current gene replacement strategies. We opened the field by performing in vitro, ex vivo and in vivo genome editing experiments using meganucleases, TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) and finally CRISPR/Cas9 system (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein 9) and revealed how challenging the setting of genome editing strategies was.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de mieux comprendre l'effet de la température ainsi que celui de l'acide docosahexaénoïque (DHA) alimentaire dans les performances de vision chez les juvéniles de Dicentrarchus labrax. La rétine est contrainte aux changements de son milieu environnant, incluant les modifications du régime alimentaire et les stress environnementaux comme la température. Par ailleurs, le loup de Méditerranée est une espèce ectotherme, carnivore et pélagique. Son métabolisme, sa physiologie et son comportement dépendent de la température extérieure mais aussi de la composition alimentaire en acides gras et plus spécialement en DHA. Cette étude a rapporté l'impact de l'augmentation (28°C) et de l'abaissement (18°C) de la température du milieu mais aussi l'influence des différentes concentrations de DHA alimentaire sur la composition lipidique ainsi que l'abondance d'ARNm des enzymes clés du métabolisme lipidiques (FADS 2, ELOVL 5, SREBP-1, PLA 2 et la triglycéride lipase) et l'expression des gènes liés à la fonction visuelle (rhodopsine) et à la production de la mélatonine. / This thesis is in the context of more understanding the effect of temperature and different dietary levels of docosahexaenoic acid (DHA) in vision performance of juveniles Dicentrarchus labrax. The retina is constrained by environmental change, including changes in diet and environmental stresses such as temperature. In addition, sea bass is an ectothermic, carnivorous and pelagic species. Their metabolism, physiology and behavior rely on the external temperature but also on the dietary composition of fatty acids and especially DHA. This study reported that the impact of the increase (28°C) and decrease (18°C) of the temperature of the water but also the influence of different dietary DHA concentrations on the lipid composition, abundance of ARNm of key lipid metabolism enzymes (FADS 2, ELOVL 5, SREBP-1, PLA 2 and triglyceride lipase) and the expression of the genes related to the visual function (rhodopsin) and the production of melatonin.

La rétinite pigmentaire est une maladie héréditaire rétinienne menant à la cécité, et pour laquelle il n’existe aucun traitement. La cause la plus fréquente des formes autosomiques dominantes de la maladie est une mutation ponctuelle dans le gène de la rhodopsine (RHO) induisant la mort des photorécepteurs (PR). Pour éviter la dégénérescence des PR, la stratégie thérapeutique doit supprimer l’expression de la protéine mutante tout en restaurant celle de la protéine normale et ce à un niveau physiologique. Mon projet était de réparer le pré-ARNm RHO par la technologie SMaRT (trans-épissage (TE) médié par le splicéosome). Ceci nécessite d’introduire par transfert de gène, dans la cellule cible, un ARN exogène, appelé PTM pour molécule pre-ARNm de TE, pouvant induire un épissage en trans.Nous avons créé 20 PTM différents et obtenu un taux maximal de TE in vitro de 40% après co-transfection transitoire des constructions RHO et PTM dans les cellules HEK293T. Nous avons générés des lignées cellulaires d’expression stable de RHO normale ou mutée par transduction lentivirale. Alors que la RHO normale se localise à la membrane plasmique, la mutation induit la rétention cytoplasmique de la protéine. La transfection du PTM dans la lignée cellulaire de RHO mutée a induit du TE, capable de restaurer partiellement la localisation de la RHO réparée à la membrane.Nous avons alors testé le TE in vivo dans un modèle murin humanisé de rétinite pigmentaire. L’injection sous-rétinienne d’un AAV2/8-bRho-PTM a permis le TE in vivo, mais n’a pas suffi à prévenir la dégénérescence des PR observée par SD-OCT (technologie que nous avons améliorée au cours de ce projet). / Retinitis pigmentosa is an hereditary retinal dystrophy involving degeneration of photoreceptors leading to blindness and for which there is currently no treatment. The most frequent cause of autosomal dominant forms of the disease is a point mutation in the rhodopsin gene (RHO). Therapeutic strategy should both suppress mutant protein expression and restore that of the normal one to physiologic level to prevent photoreceptor degeneration. My PhD project was to repair RHO pre-mRNA by SMaRT (Spliceosome Mediated RNA Trans-splicing) technology. This implies to introduce by gene transfer into the target cell an exogenous RNA, called PTM for Pre-mRNA Trans-splicing Molecule. This one was able to promote a splice reaction in trans, leading to the replacement of the mutated exons. We designed 20 different PTM and obtained in vitro a maximum trans-splicing rate of 40% after transient co-transfection of PTM and RHO constructs in HEK293T cells. We then created WT or mutated RHO stable expression cell lines by lentiviral transduction. Mutation induced retention of the protein into the cytoplasm, while the WT RHO was localized to the plasma membrane. We observed that the PTM transfection in the mutated RHO cell line induced trans-splicing, which was able to partially restore localization to the plasma membrane of repaired RHO. We then tested trans-splicing in vivo in mRho+/- RHO P347S+ mice, a humanized heterozygous mouse model of retinitis pigmentosa. After subretinal injection of AAV2/8-bRho-PTM we observed that trans-splicing occurred in vivo. Unfortunately we did not observe by SD-OCT (a technology that we improve in this project) any rescue of the degenerative phenotype.

La rotation de la Terre oblige les organismes vivants à s’adapter aux modifications cycliques de l’environnement, et tout particulièrement aux changements de lumière et de température. Des unicellulaires à l’Homme, la plupart des espèces ont développé des horloges circadiennes, qui leur permettent d’anticiper les transitions jour-nuit. La lumière constitue le signal majeur pour la synchronisation de l’horloge. En cycles jour-nuit, les drosophiles présentent un profil d’activité locomotrice bimodal, avec un premier pic autour de l’aube et le deuxième au crépuscule. Chez cet insecte, la perception de la lumière est assurée à la fois par un système complexe, constitué des yeux composés, des ocelles et de l’eyelet d’Hofbauer-Buchner. Ces organes contiennent des photorécepteurs (PRs) exprimant six protéines photosensibles différentes, les rhodopsines (Rh1 à Rh6). Une septième rhodopsine (Rh7) a été décrite dans quelques neurones de l’horloge cérébrale. La lumière est également perçue directement dans la plupart des neurones d’horloge grâce à une protéine photosensible, le cryptochrome (Cry). Les différentes études du rôle de la lumière sur l’entraînement de l’horloge ont essentiellement porté sur la voie cry-dépendante, en utilisant de courts flashs lumineux pour recaler l’horloge cérébrale. Notre étude s’est intéressée à l’entraînement de l’horloge via les rhodopsines. Quels types de photorécepteur sont impliqués ? Après l’activation de la cascade de phototransduction et la libération de l’histamine par les photorécepteurs, quels neurones, exprimant les récepteurs à l’histamine Ort et Hiscl1, participent à l’entraînement de l’horloge circadienne ? Une première partie présente l’étude de l’implication des 6 rhodopsines dans l’entraînement circadien. Tout d’abord, nous avons mis en évidence la fonction de photorécepteurs spécifiques (exprimant Rh1 ou Rh6) dans la voie NorpA-dépendante (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Nous avons ensuite généré des lignées de drosophiles n’exprimant aucune ou qu’une seule rhodopsine. Sans rhodopsine ni Cry les mouches sont incapables de se synchroniser sur les cycles jour-nuit, quelle que soit l’intensité lumineuse. En lumière faible, l’input pour l’entraînement vient principalement des photorécepteurs exprimant Rh1 et Rh6. En forte lumière, chacune des 6 rhodopsines des différents photorécepteurs est capable d’entrainer l’horloge, Rh1, Rh5 et Rh6 étant les plus efficaces ( Alejevski et al., in prep). Une deuxième partie présente la caractérisation des voies neuronales connectant directement ou indirectement les PRs à l’horloge cérébrale. L’horloge circadienne de mouches mutantes, à la fois pour le cryptochrome et les 2 récepteurs à l’histamine, est « aveugle » alors que les mutantes pour Cry mais possédant l’un ou l’autre récepteur à l’histamine sont capables de se synchroniser sur les cycles de lumière. La ré-expression chez les mutants de Ort ou Hiscl1 dans les neurones d’horloge ne restaure pas l’entraînement, suggérant ainsi l’absence de connexions directes entre les PRs histaminergiques et les neurones d’horloge. Nos expériences de sauvetage comportemental mettent en évidence des connexions fonctionnelles entre certains interneurones Ort des lobes optiques et les neurones d’horloge. En revanche et de façon inattendue, nous n’observons d’entraînement circadien que lorsque nous ré-exprimons Hiscl1 dans les seuls PRs Rh6. Nos résultats révèlent que les photorécepteurs interviennent dans l’entraînement à la fois comme photorécepteurs et comme interneurones, cibles d’input histaminergique, rappelant ainsi le double rôle des cellules ganglionnaires de la rétine exprimant la mélanopsine chez les mammifères (Alejevski et al. Nat Commun, in revision). / The rotation of the earth forces living organisms to adapt to its cyclic environment, in particular light and temperature changes. From unicellular organisms to humans, almost all species have evolved circadian clocks, which allow them to anticipate day-night transitions and use light as the most powerful synchronizing cue. In light-dark cycles, D. melanogaster flies display a bimodal locomotor activity with peaks around dawn and dusk. To perceive light, Drosophila has evolved a complex visual system, composed of compound eyes, ocelli and Hofbauer-Buchner eyelet. These organs contain photoreceptors (PRs) expressing six different light receptors named rhodopsins (Rh1 to Rh6). In addition, one rhodopsin (Rh7) is found in some of the clock neurons in the brain. Most of the clock cells also express another type of light receptor, Cryptochrome (Cry). Most studies about clock entrainment by light have focused on the Cry-dependent light input, which allows short light pulses to reset the brain clock. The present thesis focuses on the entrainment of the brain clock through rhodopsins. In photoreceptors, rhodopsins capture photons and activate a transduction cascade, where a key player is the phospholipase C (PLC) encoded by norpA. Mutants deficient for Cry and NorpA do not synchronize at low light intensity but still entrain with high light, indicating that an unknown NorpA-independent pathway is also used by the clock. Light induces a depolarization of the PRs, which release histamine as a neurotransmitter, but their role in circadian entrainment is unknown. Which type of rhodopsine-expressing photoreceptors are implicated? After the phototransduction cascade activation and the release of histamine from the photoreceptors, which downstream neurons expressing the histamine-gated chloride channels Ort and Hiscl1 (whose function has been studied in the visual behavior) are involved in the circadian entrainment? The first part of the thesis was to study the function of the 6 PR rhodopsins in circadian entrainment. I first contributed to studying the function of the specific photoreceptors in the NorpA-dependent pathway (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Then, we generated genotypes having either none or only one of the six PR rhodopsins. Mutants with no Cry and none of the 6 PR rhodopsins could not synchronize with light-dark (LD) cycles (low light or high light). In low light, Rh1 and Rh6 were the main light input for entrainment. In high-light, each one of the 6 PR rhodopsins can provide entrainment, with Rh1, Rh5 and Rh6 being the most efficient (Alejevski et al., in prep).The second part of the work was to identify the neuronal pathways that connect the PRs to the brain circadian clock. Flies deficient for Cry and the two histamine receptors are circadianly blind, whereas Cry mutants having either Ort or Hiscl1 are able to entrain. Thus, each one of the two receptors supports circadian entrainment. Rescuing Ort or Hiscl1 in the clock cells could not restore entrainment, indicating that there is no direct histaminergic connection between PRs and clock neurons. Our rescue experiments revealed several pathways in otic lobes that rely on Ort-expressing interneurons to entrain the clock. In contrast and unexpectedly, we observed that the expression of Hiscl1 in PRs but not in interneurons was involved in circadian entrainment. In fact, only Hiscl1 expression in Rh6 PRs mediates entrainment. Our work thus reveals Rh6-expressing PRs as both photoreceptors and histamine-receiving interneurons in the rhodopsin-dependent entrainment pathway, which recalls the role of melanopsin-expressing retinal ganglion cells in the mammalian retina (Alejevski et al. Nat Commun, in revision).

Kanalrhodpsine (ChRs) sind lichtaktivierbare Kationenkanäle, welche als primäre Fotorezeptoren in Grünalgen dienen. In der Optogenetik werden ChRs verwendet um neuronale Membranen zu depolarisieren und mit Licht Aktionspotentiale auszulösen. Das mit blauem Licht aktivierte Chlamydomonas Kanalrhodopsin 2 (C2) und effiziente Mutanten wie C2 H134R stellen die am häufigsten genutzten depolarisierenden, optogenetischen Werkzeuge dar. Komplementär zu ChRs werden Protonen- und Chloridpumpen aus Archaebakterien zur neuronalen Inhibierung durch lichtinduzierte Hyperpolarisation verwendet. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die ChR-Chimäre C1V1, ein grünlichtaktiviertes ChR, das sich durch hervorragende Membranlokalisierung und hohe Fotoströme in HEK-Zellen auszeichnet. C1V1 und C1V1-Mutanten mit feinabgestimmten spektralen und kinetischen Eigenschaften ermöglichen die neuronale Aktivierung mit Wellenlängen bis 620 nm sowie die unabhängige Aktivierung zweier Zellpopulationen in Kombination mit C2. Um die strukturelle Basis von Kanalöffnung und Ionentransport in ChRs zu verstehen, wurden gezielt Mutationen in C2 und C1V1 eingeführt. Die Fotoströme der entsprechenden Mutanten wurden auf Kationenselektivität und kinetische Veränderungen untersucht. Während Aminosäuren, die den Kanal an der zytosolischen Seite begrenzen, die Kationenfreisetzung und Einwärtsgleichrichtung der ChRs bestimmen, spielen zentral im Kanal gelegende Aminosäuren ein entscheidende Rolle für Kationenselektivität und -kompetition. Ein enzymkinetisches Modell ermöglichte außerdem die Zerlegung der Fotoströme in Beiträge der verschiedenen, konkurrierenden Kationen. Im letzten Teil der Arbeit wurde pHoenix, ein optogenetisches Werkzeug zur Ansäuerung synaptischer Vesikel, entwickelt. In Neuronen des Hippocampus wurde pHoenix verwendet, um die treibenden Kräfte für die vesikuläre Neurotransmitteraufnahme sowie den Zusammenhang zwischen Vesikelfüllstand und Freisetzungswahrscheinlichkeit zu analysieren. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-activated cation channels functioning as primary photoreceptors in green algae. In the emerging field of optogenetics, ChRs are used to depolarize neuronal membranes, thus allowing for light-induced action-potential firing. The blue light-activated Chlamydomonas channelrhodopsin 2 (C2) and high-efficiency mutants such as C2 H134R represent the most commonly used depolarizing optogenetic tools. Complementary to ChRs, green to yellow light-activated proton and chloride pumps originating from archea enable neuronal inhibition by membrane hyperpolarization. In the present work, we developed the chimeric ChR C1V1, a green-light activated ChR with excellent membrane targeting and high photocurrents in HEK cells. Action spectrum and kinetic properties of C1V1 were further fine-tuned by site-directed mutagenesis. The ensemble of C1V1 variants allows for neuronal activation with wavelengths up to 620 nm and can be used in two-color optogenetic experiments in combination with C2 derivatives. In order to understand the structural motifs involved in channel gating and ion transport, conserved residues in C2 and C1V1 were mutated and photocurrents of the respective mutants were analyzed for kinetic characteristics and cation selectivity. In these experiments, residues of the inner gate region were shown to alter cytosolic cation release and inward rectification, whereas central gate residues determine cation competition and selectivity, as well as the equilibrium between the two open channel conformations. Moreover, an enzyme-kinetic model was used to quantitatively dissect ChR photocurrents into the contribution of different competing cations. Finally, we designed pHoenix, an optogenetic tool enabling green-light induced acidification of synaptic vesicles. In hippocampal neurons, pHoenix was used to study both the energetics of vesicular neurotransmitter uptake and the impact of the vesicular contents on synaptic vesicle release.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Membranproteine und agieren als Sensoren, Biokatalysatoren oder Ionentransporter. Die Ionentransporter unterteilen sich in lichtgetriebene Ionenpumpen und in lichtaktivierte Kanalrhodopsine. Besonders die Protonenpumpe Bakteriorhodopsin steht schon lange im Fokus biophysikalischer Untersuchungen. Obwohl die Protonenpumpen seit über 40 Jahren intensiv untersucht werden, ist das Wissen über deren elektrophysiologische Eigenschaften noch immer gering. Aus diesem Grund widmete sich diese Arbeit der elektrophysiologischen Charakterisierung der mikrobiellen Rhodopsine mit dem Fokus auf Protonenpumpen. Hierfür wurden vor allem „Two-Electrode Voltage Clamp“ -Messungen (TEVC) an Oozyten des afrikanischen Krallenfrosches Xenopus leavis durchgeführt. Die Untersuchung verschiedener Protonenpumpen hat gezeigt, dass diese eine unerwartet große Diversität in ihren elektrophysiologischen Eigenschaften aufweisen. Von besonderem Interesse war die Beobachtung, dass einige Protonenpumpen neben Pumpströmen auch passive einwärts gerichtete Photoströme zeigten. Besonders deutlich war der „Pump-Kanal-Dualismus“ bei dem Gloeobacter-Rhodopsin ausgeprägt. Andere Protonenpumpen, wie das Bakteriorhodopsin oder Coccomyxa-Rhodopsin, zeigten keine einwärts gerichteten Photoströme. Das Coccomyxa-Rhodopsin wurde aufgrund seiner hohen Photostrom-Amplituden in Oozyten für eine Mutationsanalyse ausgewählt. Diese Mutationsanalyse verhalf die strukturellen Ursachen für die funktionalen Unterschiede zu identifizieren, welche sowohl zwischen den Protonenpumpen untereinander als auch gegenüber Kanalrhodopsinen beobachtet wurden. Mutationen im Gegenion-Komplex führen zu rein passiven oder inaktiven Transportern. Dagegen übernimmt der extrazelluläre Halbkanal in Protonenpumpe die Aufgabe einen passiven Protonen-Rückfluss während des Pumpzyklus zu verhindern, denn Mutationen in dieser Region verursachen passive Photoströme zusätzlich zum aktiven Pumpstrom. / Microbial rhodopsins are light-sensitive membrane proteins and operate as sensors, enzymes or ion-transporters. The ion transporters are subdivided into light-driven ion pumps and light-gated channels. Biophysical research has put focus on the proton pump bacteriorhodopsin for long time. Despite the fact that light-driven proton pumps are investigated for over 40 years, the knowledge about their electrophysiological properties is surprisingly low. For this reason, this thesis is devoted to the electrophysiological characterization of microbial rhodopsins with special focus on light-driven proton pumps. For this purpose, “Two-Electrode Voltage Clamp”-recordings (TEVC) were primarily performed using oocytes from African clawed frog Xenopus leavis. The investigation of diverse proton pumps has shown that the differences in their electrophysiological behaviors are unexpectedly high. Special interest was laid on proton pumps which show passive inward directed photocurrents when the electrochemical load exceeds a certain level. The dualism of pump and channel activity was particularly pronounced in the proton pump Gloeobacter-rhodopsin. Other proton pumps, for instance bacteriorhodopsin or Coccomyxa-rhodopsin, do not show inward directed photocurrents. Due to high photocurrent amplitudes, the Coccomyxa-rhodopsin was selected for an efficient mutagenesis study. This study allowed the identification of structural key determinants for the differences among proton pumps themselves and for the differences of proton pumps in comparison with light-gated ion channels (channelrhodopsins). Therefore, mutations of the counter-ion-complex cause inactive or purely passive transporters. The extracellular half-channel is the key element in proton pumps which prevents passive proton-backflow during the pump-cycle. Mutations in this region lead to passive leak-currents in overlap with the remaining pump-activity.

L’horloge circadienne permet de régler avec précision les anticipations physiologiques et comportementales face à un environnement perpétuellement oscillant entre jour et nuit. Cette capacité endogène n’est utile que si les processus biologiques restent synchronisés sur le temps solaire. La lumière représente le stimulus le plus efficace pour informer l’horloge des cycles environnementaux.
Chez la drosophile (Drosophila melanogaster) la synchronisation des rythmes veille/sommeil par la lumière est assurée par la molécule photosensible CRYPTOCHROME et par le système visuel. Alors que le cryptochrome agit dans les neurones d'horloges, le système visuel renseigne ces derniers par des voies qui restent à découvrir. La drosophile possède trois organes photorécepteurs, l'oeil composé, les ocelles et l'eyelet de Hofbauer-Buchner, qui expriment chacun une ou plusieurs rhodopsines. La cascade de phototransduction activée par la lumière dépend de la phospholipase C-ß NORPA et conduit à une libération d’histamine.
Dans notre étude, nous avons tenté de caractériser la contribution de chaque rhodopsine dans l’entraînement circadien, mais également de déterminer leur contribution norpA-dépendante en condition de faible lumière.
L’analyse de mutants a montré que les 6 rhodopsines du système visuel constituaient les seules molécules photosensibles capables d’informer l’horloge et que la RH2 et la RH5 seules étaient capables d’entraîner l’horloge en fonction des conditions expérimentales. Nous avons également pu mettre en évidence le fait que les RH1, RH3, RH4 et RH6 utilisaient une voie NORPA-dépendante pour informer l’horloge, alors que la RH2 ne semblait pas le faire. Des doutes subsistent quant à l’existence d’une voie NORPA- dépendante de la RH5 pour informer l’horloge. Nous avons également caractérisé la contribution des récepteurs à l’histamine ORT et HISCL1 dans les processus circadiens: en l'absence de cryptochrome, chacun des deux récepteurs suffit à synchroniser l'horloge et la perte des deux rend les mouches circadiennement aveugles De plus, nous avons constaté que la connexion des photorécepteurs à l’horloge ne se faisait pas directement mais par l’intermédiaire de voies glutamatergiques ou cholinergiques. L’ensemble de ce travail a permis de faire une 1er ébauche des circuits nécessaires à la transmission de l’information lumineuse à l’horloge cérébrale et d’identifier les opsines ainsi que les interneurones impliqués. / The circadian clock allowed physiologic and behavioural anticipation against the day/night oscillation. Light is the most powerful clue for living organism. In the fly Drosophila melanogaster, the rest-activity is synchronized by light and pass through the cryptochrome and the visual system. CRYPTOCHROME act directly in the clock neurons to inform the clock but little is known about the visual system. Drosophila posses tree structures: the ocelli, the compound eye and the eyelet of Hofbauer-Buchner, each structure expressed one or multiple rhodopsins. The phototransduction cascade is activated by light and depend one a phospholipase C-ß NORPA, this lead to histamine realised. Study of mutants show that the 6 rhodopsines represent the only photo-sensible molecule for the clock and the RH2 and the RH5 alone could entrain the clock. We have also find that the RH1, RH3, RH4 and RH6 use a NORPA-dependant way to inform the clock whereas the RH2 does not. Some doubt is still present regarding the RH5 NORPA-dependant way. We have determined that the two-histamines receptor ORT and HISCL1 are involved in the circadian process. Besides, we have shown that there is no direct connexion between the clock and the photoreceptors but the information is relay on a glutamatergique and a cholinegique pathway. This thesis draws the circuit by which the light informed the clock and identified the opsines and the interneurons involved.

La leucine zipper de la rétine neurale (Nrl) joue un rôle central dans le développement et l'homéostasie des bâtonnets en activant I'expression de gènes tels que le photopigment Rhodopsine. Nrl est aussi associé à la Rétinite Pigmentaire, faisant ainsi de ce gène un modèle intéressant pour la compréhension des programmes contrôlant le développement et I'homéostasie des photorécepteurs.Ce travail de thèse vise à caractériser les mécanismes régulateurs de I'expression de Nr/ au cours du développement rétinien. L'électroporation in vivo de vecteurs rapporteurs dans des rétines de souris en développement, a révélé des séquences minimales de promoteur Nr/ nécessaires à une expression spécifique dans les photorécepteurs. Nous avons identifié RORI3 comme facteur requis pour cette expression, et montré que les facteurs OTX2, CRX et CREB s'accrochent aussi directement à des régions régulatrices particulières du promoteur. Nous avons construit un virus adéno-associé (AAV) contenant un promoteur minimal Nrl de 0.3 kb, et montré qu'il est adapté à la délivrance de gène spécifiquement dans les photorécepteurs.Nous avons montré que NRL, CRX et NR2E3, les régulateurs principaux de la Rhodopsine, ont une expression rythmique au cours de 24 h, et que l'expression cyclique de Nr/ peut être due à l'activation par RORp, un composant l'horloge circadienne. Enfin, nous avons identifié un nouveau facteur de transcription, NonO, au niveau de la région du promoteur proximal de la Rhodopsine, qui en combinaison avec NRL et CRX, active le promoteur de la Rhodopsine. L'invalidation de NonO au cours du développement rétinien a prouvé son implication pour le développement et I'homéostasie des bâtonnets. / The Neural Retina Leucine zipper transcription factor (Nrl) plays a central role in rod photoreceptor development and homeostasis, by activating the expression of rod-specific genes such as the visual photopigment, Rhodopsin. Nrlhave been also associated with Retinitis Pigmentosa, making this gene an interesting model for understanding genetic programs controlling photoreceptors development and homeostasis.This thesis work aimed at characterizing regulatory mechanisms of Nr/ expression during retinal development. Using in vivo electroporation of reporter vectors carrying distinct portions of Nrlpromoter into neonatal mouse retina, we identified minimal sequences required for expression photoreceptors-specific expression. We identified RORI3 as being required for this expression and showed that OTX2, CRX and CREB transcription factors also directly bind to the defined regulatory regions.We designed a novel adeno-associated virus (AAV) vector containing a minimal Nrl promoter fragment of 0.3 kb, and showed that it is well-suited for gene delivery specifically into photoreceptors.We also showed that NRL, CRX, and NR2E3, the main transcriptional regulators of Rhodopsin, display rhythmic expression over 24 h. and that Nrl might undergo cyclic activation by RORB which is part of the photoreceptor circadian clock. Finally, we investigated the role of a novel Rhodopsin transcriptional regulator, NonO, identified in theRhodopsin proximal promoter region. We demonstrated that NonO co-activates Rhodopsin promoter along with NRL and CRX. By knocking down this gene during retinal development we provided evidence for its role in rod development and homeostasis.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Proteine, die von Mikroorganismen exprimiert werden um Licht wahrzunehmen oder dessen Energie zu nutzen. Ionen-transportierende mikrobielle Rhodopsine begründeten das Feld der Optogenetik. Hier erlauben sie transmembrane Ionenflüsse lichtsensitiv zu machen und neuronale Aktivität mit Licht zu steuern. Eine zielführende Nutzung beruht auf ihrer molekularen Charakterisierung, um sie dem Experiment anzupassen und es sinnvoll zu entwerfen. Teil I der Arbeit beschäftigt sich mit dem rotverschobenen Kanalrhodopsin ReaChR. Obwohl es mit breitem, nicht gaussförmigen Aktionsspektrum mit maximalen Strömen um 600 nm publiziert wurde, zeigte das Blitzlichtspektrum hier maximale Aktivität bei 535 nm ohne Besonderheiten. Mit steigender Intensität und längeren Pulsen verbreiterte sich das Spektrum; sehr ähnlich zum publizierten Spektrum. Dieses einzigartige Verhalten wird durch sekundäre Photochemie erklärt, welche zu einem komplexen Photozyklus mit lichtinduzierten Übergangen führt. Mutationen an Schlüsselpositionen wurden genutzt, um ReaChR über die publizierten Daten hinaus zu charakterisieren und neue Eigenschaften zu generieren. In Teil II wurde die auswärtsgerichtete Natriumpumpe KR2 elektrophysiologisch charakterisiert, was zuvor von schlechter Membranständigkeit in Säugetierzellen verhindert wurde. Ein verbessertes KR2 mit höherer Membranständigkeit und 60-fach größeren Photoströmen erlaubte Selektivitätsmessungen, welche zeigten, dass der Strom von Natriumionen getragen wird, wohingegen nichts auf Protonentransport hindeutete. Bei ausreichender Substratkonzentration war der Strom anders als bei Chlorid- oder Protonenpumpen von der Membranspannung unabhängig. Die Expression in Mausneuronen ermöglichte die reversible Unterdrückung von Aktionspotentialen mit Licht, wobei der Ausstrom von Kationen einen komplementären Weg zur neuronale Aktivitätsunterdrückung bietet, wenn etablierte Werkzeuge schlecht oder nicht funktionieren. / Microbial rhodopsins are photosensitive proteins utilized by fungi, algae, and prokaryotes to sense light or harness its' energy. Ion transporting microbial rhodopsins initiated the field of optogenetics, where they are applied to render transmembrane ion fluxes light sensitive and control neuronal activity with light. Part I of the thesis focused on the electrophysiological characterization of the red-shifted channelrhodopsin ReaChR. Although published with a broad, non-Gaussian shaped action spectrum peaking around 600 nm, the flash action spectra of ReaChR recorded here had a maximum at 535 nm without peculiarities. Increasing intensities and prolonging illumination broadened the spectrum, which finally peaked around 600 nm. This unique behavior stems from pronounced secondary photochemistry leading to a complex photocycle with various light-induced transitions especially under constant illumination. Mutations at key positions like the central gate, DC-pair or counter ions were employed to characterize the properties of ReaChR beyond published data and engineer new features. In part II an electrophysiological characterization of the outward Na+ pump KR2 was pursued, which was hindered by poor membrane targeting in mammalian cells before. Engineering of eKR2 improved membrane targeting and lead to 60-fold larger photocurrents than in the wild type. Selectivity measurements revealed that the stationary photocurrent is primarily carried by sodium with no evidence for proton transport. At sufficient substrate concentration stationary photocurrents were independent of the membrane voltage distinguishing eKR2 from proton and chloride pumps. Finally, eKR2 reliably and reversibly inhibited action potential firing already at 0.5 mW/mm2 green illumination in cultured hippocampal mouse neurons. Inhibiting action potential firing through cation extrusion poses a complementary way of neuronal silencing in contexts where established tools are unfavorable or even impossible to use.

QuasArs, eine neue Klasse von fluoreszierenden Membranspannungssensoren basierend auf Archaerhodopsin-3, wurde von Hochbaum et al. im Jahr 2014 beschrieben. Die neuen Konstrukte zeigen eine für mikrobielle Rhodopsine außergewöhnlich hohe Fluoreszenzquantenausbeute. Außerdem ist die Fluoreszenz spannungsabhängig, was für Membranspannungssensoren eine wünschenswerte Eigenschaft ist. Diese Sensoren bieten ein hohes räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen, wodurch neuronale Aktivität verfolgt werden könnte. Obwohl mehrere Varianten vorgeschlagen wurden ist ihre Fluoreszenzquantenausbeute immer noch zu gering (<1%) für Anwendungen in lebenden Nagetieren und erfordert weitere Verbesserungen für bildgebende Anwendungen. Das rationale Design der Rhodopsin-basierten Fluoreszenzsensoren der nächsten Generation ist jedoch nur eingeschränkt möglich, da die derzeit verwendeten QuasArs mittels zufälliger Mutagenese gefunden wurden. Um verbesserte Konstrukte zu entwickeln, ist es wichtig die Funktionalität der spannungssensitiven Fluoreszenz und die Rolle der eingeführten Mutationen zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die mikrobiellen Rhodopsin-basierten Spannungssensoren und der Ursprung ihrer spannungsmodulierten Fluoreszenz untersucht. Die Photodynamik dieser Spannungssensoren wurde mit UV/Vis-Steady-State und -transienter Spektroskopie untersucht. Die Archaerhodopsin-3 Varianten durchlaufen einen ungewöhnlichen Photozyklus mit verlängerter Lebensdauer des angeregten Zustands und ineffizienter Photoisomerisierung. Präresonanz-Raman-Spektroskopie und Hochdruckflüssigkeitschromatographie ermöglichten die direkte Untersuchung des Chromophors in diesen besonderen Rhodopsinen. Molekulardynamiksimulationen, unterstützt durch spektroskopische Studien, liefern ein Modell der Proteindynamik unter Einfluss der Membranspannung. Protein-Engineering ermöglichte die Identifizierung der Aminosäuren, die für die Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeute benötigt werden, und der Schlüsselreste, die an der Spannungsmessung beteiligt sind. Aussichtsreiche Konstrukte mit verbesserten Eigenschaften wurden vorgeschlagen und getestet. / Novel class of fluorescent membrane voltage sensors QuasArs, based on Archaerhodopsin-3, have been reported by Hochbaum et al. in 2014. The new constructs show unusually high fluorescence quantum yield for microbial rhodopsins. Furthermore the fluorescence is voltage-dependent, which is a desirable property for membrane voltage sensors. These tools would offer high spatiotemporal resolution allowing to track neuronal spiking. Although multiple constructs have been proposed, their fluorescence quantum yield is still too low (<1%) for applications in living rodents and requires further improvement for imaging applications. However, rational design of the next generation rhodopsin-based fluorescent sensors is restrained since the current constructs were found using random mutagenesis. To develop improved constructs it is essential to understand the functionality of the voltage-sensitive fluorescence and the role of the introduced mutations. In this thesis, the microbial rhodopsin based voltage sensors and the origin of their voltage-modulated fluorescence were studied. The photodynamics of microbial rhodopsin-based voltage sensors were studied with UV/Vis steady state and transient spectroscopy. The archaerhodopsin-3 variants undergo an unusual photocycle with extended excited state lifetime and inefficient photoisomerization. Pre-resonance Raman spectroscopy and high-pressure liquid chromatography allowed to directly study the chromophore composition in these peculiar rhodopsins. Molecular dynamics simulations, supported by spectroscopic studies, provide a model of protein dynamics taking place under different membrane voltage conditions. Protein engineering allowed to identify the residues needed for the increase of the fluorescence quantum yield and key residues involved in the voltage sensing. Promising constructs, with improved properties, were proposed and tested.