Chez un individu vieillissant, le développement graduel d’un grand nombre de petites failles moléculaires couplé à des défauts de réparation conduisent à l’apparition possible d’un large panel de pathologies dites associées au vieillissement. Les syndromes progéroïdes segmentaires, comme le syndrome de Werner, phénocopient en partie les observations faites lors du vieillissement classique des individus. A ce jour, 83 mutations différentes affectant le gène WRN ont pour conséquence l’émergence précoce de cataractes, d’un blanchiment et d’une perte des cheveux, de l’ostéoporose, du diabète de type II ou de l’athérosclérose chez les sujets dont les deux allèles du gène WRN sont mutés. Bien que la protéine WRN joue un rôle important dans le métabolisme du génome nucléaire, les liens qui unissent la perte d’une protéine WRN fonctionnelle avec le développement de pathologies associées au vieillissement n’ont pas été clairement définis. L’orthologue de la protéine WRN chez la souris a autorisé la genèse de deux modèles murins du syndrome de Werner. Ayant pourtant perdues toute synthèse de la protéine Wrn, les souris Wrn-/- ne présentent pas d’affection sévère ni de réduction de leur espérance de vie. A l’inverse, les souris WrnΔhel/Δhel produisent une protéine délétée d’une partie du domaine hélicase, la protéine WrnΔhel. Ces souris souffrent de nombreuses pathologies communes aux patients atteints du syndrome de Werner occasionnant la réduction de leur espérance de vie. Le projet de recherche associé à cette thèse doctorale avait pour but de caractériser les différents stresses et dysfonctionnements qui séparent ces deux modèles murins et qui expliqueraient la dichotomie entre leurs états de santé. La découverte de la perte totale de fonctions enzymatiques de la protéine WrnΔhel et surtout de sa mauvaise localisation subcellulaire constitue un résultat clé du projet. Ainsi, en plus de perdre une protéine Wrn nucléaire, les souris WrnΔhel/Δhel gagnent une protéine WrnΔhel mutante potentiellement toxique au bon fonctionnement de compartiments cytoplasmiques comme les peroxysomes et le réticulum endoplasmique, contrairement aux souris Wrn-/-. Dès l’âge de quatre/cinq mois, cette protéine WrnΔhel mal localisée engendre des changements du protéome et un stress oxydatif dans le réticulum endoplasmique des hépatocytes qui répondent au travers de certains acteurs de la voie de réponse aux protéines mal repliées (Unfolded Protein Response, UPR). De manière intéressante, une étude précédente avait montré que, malgré leur capacité à produire leur propre ascorbate grâce à la gulonolactone oxydase (Gulo), un apport additionnel de 0,4% d’ascorbate (p/v) à l’eau mise à disposition des souris WrnΔhel/Δhel à partir du sevrage empêchait l’apparition de pathologies et allongeait leur espérance de vie. Cette thèse doctorale a décelé que même si cet apport exogène d’ascorbate ne modifie pas la quantité de protéine WrnΔhel toujours mal localisée, la disponibilité plus importante de cet anti-oxydant et de ce co-facteur réussit à combler l’ensemble des besoins subcellulaires afin de lutter efficacement contre le stress oxydatif et d’aider à l’obtention d’un protéome fonctionnel. Puisque les patients atteints du syndrome de Werner ne synthétisent pas de novo de l’ascorbate et que cette synthèse endogène chez les souris WrnΔhel/Δhel complique l’évaluation de l’impact de l’ascorbate sur leur santé, ce projet de recherche avait également pour objectif la genèse d’un nouveau modèle murin qui dépend entièrement d’une source exogène de vitamine C à cause d’une invalidation du gène Gulo. Le gain d’une protéine WrnΔhel mal localisée et l’incapacité à produire de l’ascorbate impactent drastiquement l’espérance de vie, le profil métabolique et immunitaire des souris WrnΔhel/Δhel/Gulo-/- traitées avec 0,01% de vitamine C. Ces souris sont également stériles, montrent un hypogonadisme testiculaire et souffrent d’ostéopénie marquée à l’image des patients du syndrome de Werner. Les besoins accrus en vitamine C de ces souris mènent à l’apparition d’une hypovitaminose C plus sévère que chez des souris Gulo-/- soumises au même traitement. Cette carence se reflète au niveau subcellulaire par la présence d’un stress oxydatif hépatique marqué ainsi que par l’activation exacerbée des acteurs de l’UPR. Un apport de 0,4% de vitamine C chez les souris WrnΔhel/Δhel/Gulo-/- réussit à étendre leur espérance de vie et à contrecarrer des stresses subcellulaires mais conduit de manière intrigante à l’âge de quatre/cinq mois à un profil métabolique semblable à celui de souris de type sauvage de 20 mois. De manière générale, les résultats obtenus à l’issue de ce projet doctoral ont mis en lumière l’impact de la vitamine C sur l’état de santé de modèles murins du syndrome de Werner. / For an aging individual, the gradual buildup of a huge number of molecular tiny faults combined with repair defects lead to the possible appearance of various age-related pathologies. Segmental progeroid syndromes like the Werner syndrome partly phenocopy the observations collected from classical aging process of individuals. To date, 83 different mutations affecting the WRN gene are known and result in premature onset of cataracts, graying and hair loss, osteoporosis, type II diabetes and atherosclerosis. Even if the WRN protein plays a major role in the metabolism nuclear genome, the links which relate the loss of a functional WRN protein to the development of ageassociated diseases are not clearly defined. The existence of a mice orthologue of the WRN protein has made possible the genesis of two Werner syndrome mice models. Even without any synthesis of the Wrn protein, Wrn-/- mice do not display any severe pathologies or a shorter lifespan. In contrast, WrnΔhel/Δhel mice produced a Wrn protein lacking part of the helicase domain, the WrnΔhel protein. These mice exhibit many phenotypic features of the Werner syndrome which result in the reduction of their lifespan. The research project associated to this doctoral thesis aimed to characterise different stresses and dysfunctions which differentiate these two mice models and which may explain the dichotomy between their health status. The discovery of the complete loss of enzymatic functions of the WrnΔhel protein, but also its subcellular mislocalization, is a key outcome of the project. Thus, unlike Wrn-/- mice, beside losing a nuclear Wrn protein, WrnΔhel/Δhel mice gain a mutated WrnΔhel protein that is potentially toxic for the proper function of cytoplasmic compartments such as peroxisomes and the endoplasmic reticulum. At the age of four/five months, the mislocalized WrnΔhel protein leads to proteome changes and oxidative stress into the endoplasmic reticulum of hepatocytes which response through some key actors of the Unfolded Protein Response (UPR). Interestingly, one previous study has shown that, despite their ability to produce their own ascorbate thanks to the gulonolactone oxidase (Gulo), an additional ascorbate supplementation (0.4% (w/v) added to drinking water of WrnΔhel/Δhel mice since weaning, prevents the emergence of pathologies and extends the lifespan of mice. This doctoral thesis has given evidence that, even if this exogenous ascorbate supplementation did not change the quantity and mislocalization of the WrnΔhel protein, the higher availability of this anti-oxidant and this co-factor succeeds to fill all subcellular requirements in order to fight efficiently against oxidative stress and to contribute to the acquisition of a functional proteome. Since patients from Werner syndrome do not synthesize de novo ascorbate and because this endogenous synthesis in WrnΔhel/Δhel mice makes the assessment of ascorbate on the health of mice difficult to precisely decipher, another objective from this research project was to generate a new mice model which relies entirely on exogenous vitamin C source because of the knockout of the mouse Gulo gene. The gain of a mislocalized WrnΔhel protein and the inability to produce ascorbate drastically impact on the lifespan, metabolic and immune profile of WrnΔhel/Δhel/Gulo-/- mice treated with 0.01% vitamin C. Moreover, these mice are sterile, display testicular hypogonadism and suffer from profound osteopenia like patients with the Werner syndrome. The increased vitamin C requirements of these mice lead to an hypovitaminosis C which is even more severe than Gulo-/- mice under the same ascorbate treatment. This deficiency is reflected at subcellular level in the outbreak of a pronounced hepatic oxidative stress and the exacerbated activation of actors of the UPR. The 0.4% vitamin C supplementation delivered to WrnΔhel/Δhel/Gulo-/- mice succeeded to extend their lifespan and to counteract subcellular stresses but intriguingly established, at the age of four/five months, a metabolic profile reminiscent to the one observed in 20 months old WT mice. Overall, the results from this doctoral project unravel the impact of vitamin C on health status of mice models for the Werner syndrome.

Le syndrome de Werner est caractérisé par un vieillissement prématuré. Au niveau cellulaire, nous observons une instabilité chromosomique importante et une sénescence accélérée comparé à des cellules normales. Le gène muté (WRN) responsable de ce syndrome code pour une protéine possédant un domaine exonuclease et hélicase à ADN impliqués dans la replication de l'ADN, la réparation et la transcription. Toutefois, nous ne savons toujours pas laquelle de ses fonctions est responsable du vieillissement prématuré. Nous pensons que l'identification de nouvelles protéines interagissant directement avec la protéine WRN pourrait nous donner des réponses. Des analyses par spectrométrie de masse sur 1'immunoprecipitation de la protéine WRN ont permis d'identifier la protéine ribosomale RPS3 et plusieurs autres comme nouveaux partenaires potentiels. Plusieurs approches biochimiques furent utilisées afin de confirmer l'interaction directe entre WRN et RPS3. Nous avons démontré que RPS3 interagit directement avec la protéine WRN in vitro. Des études additionnelles sont requises pour comprendre la fonction de ce complexe in vivo.

Le syndrome de Werner (SW) est une maladie génétique de transmission autosomique récessive qui cause le vieillissement prématuré. La maladie est causée par une mutation dans le gène Werner (WRN). Étant donné que le niveau d'espèces réactives d'oxygène (EROs) est élevé chez les personnes atteintes du SW et que c'est probablement un facteur causant une partie du phénotype, nous avons vérifié le phénomène au niveau cellulaire. Pour ce faire, nous avons analysé des fibroblastes de souris embryonnaires (FSEs) de type sauvage (TS) et des FSEs ayant une deletion dans une partie du domaine hélicase de la protéine homologue de WRN (Wrn[delta]hel/[delta]hel). Nous avons mesuré le niveau d'EROs dans ces cellules. Après avoir constaté que le niveau d'EROs est plus élevé dans les FSEs Wrn[delta]hel/[delta]hel que dans les FSEs TS, nous avons mesuré les effets directs et indirects de cette augmentation du niveau d'EROs au plan de la transcription globale dans ces cellules. Finalement, pour mieux comprendre l'impact des EROs dans le phénotype, nous avons étudié l'effet de l'addition d'EROs exogènes sur les cellules en culture. Nous avons donc traité des FSEs TS et Wm mutants avec du peroxyde d'hydrogène. À l'aide de biopuces à ADN, nous avons comparé le profil d'expression génique des FSEs traités au peroxyde d'hydrogène par rapport aux cellules non traitées. Nous avons par la suite validé les résultats des biopuces à ADN par transcriptase inverse suivi d'une réaction de polymerase en chaîne quantitative (TI-RPC) et analysé les données avec le programme PANTHER (Protein ANalysis THrough Evolutionary Relationships). Les EROs exogènes ont peu d'impact sur le profil d'expression des gènes chez les FSEs Wrn mutants en comparaison avec les FSEs TS car ces cellules démontrent déjà un niveau d'EROs plus élevé que la normale. Toutefois, plusieurs sentiers biologiques déjà affectés chez les FSEs Wrn mutants ont été affectés de la même façon dans les FSEs TS traités au peroxyde d'hydrogène. D'ailleurs, plusieurs de ces sentiers biologiques sont étroitement reliés au phénotype observé chez notre modèle de souris Wrn mutantes ainsi que chez les patients atteints du SW.

La sténose valvulaire aortique (SVA) est une pathologie associée au vieillissement et aux facteurs de risque cardiovasculaire. Afin d’étudier la SVA et d’explorer de nouvelles thérapies, plusieurs modèles animaux ont été récemment développés, mais la plupart de ces modèles ciblent les mécanismes de développement de la SVA reliés à l’hypercholestérolémie. Le syndrome de Werner (WS) est une maladie caractérisée par un vieillissement prématuré. Récemment, il a été découvert que des souris mutantes ayant une délétion du domaine hélicase du gène Werner, responsable du WS, démontraient un profile hémodynamique typique de la SVA. De ce fait, nous avons émis l’hypothèse que ces souris pourraient développer une SVA plus rapidement que des souris de type sauvage. Nous avons donc étudié les effets cette mutation chez des souris WrnΔhel/Δhel, en comparant le taux de progression d’une SVA entre des souris WrnΔhel/Δhel (WrnΔhel) et des souris de type sauvage comme groupe contrôle. À la suite d’une diète riche en sucre et en gras sur une période de 24 semaines, les souris WrnΔhel ont démontré une diminution plus prononcée de leur aire de valve aortique (mesures échocardiographiques) que les souris contrôles, supportée par les analyses histologiques concernant la fibrose des valves aortiques. Les souris n’ont toutefois développé aucun signe évident d’athérosclérose comme l’infiltration de lipides ou l’inflammation, bien que certaines caractéristiques liées à la dysfonction endothéliale semblent être augmentées chez les souris WrnΔhel. D’autres mesures échocardiographiques indiquant une SVA, comme une hypertrophie du ventricule gauche dans le groupe WrnΔhel, ont été obtenues. Nous avons aussi observé des indices de vieillissement plus marqués quant aux analyses sanguines et de la moelle osseuse des souris WrnΔhel en comparaison avec les souris contrôles. Par conséquent, ce modèle expérimental de vieillissement pourrait être utilisé pour les études futures sur la SVA sans les principaux effets athérogéniques des autres modèles expérimentaux. / Aortic valve stenosis (AVS) is associated with aging and classical cardiovascular risk factors. Different animal models were recently developed to study AVS and explore new therapies, however, most of these models rely almost exclusively on hypercholesterolemia-related mechanisms for AVS development. Werner syndrome (WS) is a disorder characterized by premature aging. It was recently demonstrated that mutant mice with a deletion of the helicase domain of the Werner gene, the gene responsible for WS, showed hemodynamic profile typical of AVS. We therefore hypothesized that mice with the WrnΔhel deletion could develop AVS earlier than wild-type (WT) mice. We studied the effect of the WrnΔhel mutation by comparing the rate of progression of AVS in homozygous mutant versus WT mice. By twenty-four weeks on a high-fat/high-carbohydrate diet, WrnΔhel/Δhel (WrnΔhel) mice showed a stronger decrease of the aortic valve area measured by serial echocardiography than WT mice, supported by histological analyses of valve fibrosis but without developing major signs of atherosclerosis such as lipid infiltration or increased inflammation. Some features linked to endothelial dysfunction also appeared to be increased in WrnΔhel mice. Other echocardiographic measurements were typical of AVS, such as left ventricle hypertrophy in the WrnΔhel group. We also observed stronger aging properties from WrnΔhel mice bone marrow and blood analyses compared to the WT group. Consequently, this experimental aging model could be used for AVS research without the major confounding atherogenic effects of other experimental models.

La sténose valvulaire aortique (SVA) est une pathologie associée au vieillissement et aux facteurs de risque cardiovasculaire. Afin d’étudier la SVA et d’explorer de nouvelles thérapies, plusieurs modèles animaux ont été récemment développés, mais la plupart de ces modèles ciblent les mécanismes de développement de la SVA reliés à l’hypercholestérolémie. Le syndrome de Werner (WS) est une maladie caractérisée par un vieillissement prématuré. Récemment, il a été découvert que des souris mutantes ayant une délétion du domaine hélicase du gène Werner, responsable du WS, démontraient un profile hémodynamique typique de la SVA. De ce fait, nous avons émis l’hypothèse que ces souris pourraient développer une SVA plus rapidement que des souris de type sauvage. Nous avons donc étudié les effets cette mutation chez des souris WrnΔhel/Δhel, en comparant le taux de progression d’une SVA entre des souris WrnΔhel/Δhel (WrnΔhel) et des souris de type sauvage comme groupe contrôle. À la suite d’une diète riche en sucre et en gras sur une période de 24 semaines, les souris WrnΔhel ont démontré une diminution plus prononcée de leur aire de valve aortique (mesures échocardiographiques) que les souris contrôles, supportée par les analyses histologiques concernant la fibrose des valves aortiques. Les souris n’ont toutefois développé aucun signe évident d’athérosclérose comme l’infiltration de lipides ou l’inflammation, bien que certaines caractéristiques liées à la dysfonction endothéliale semblent être augmentées chez les souris WrnΔhel. D’autres mesures échocardiographiques indiquant une SVA, comme une hypertrophie du ventricule gauche dans le groupe WrnΔhel, ont été obtenues. Nous avons aussi observé des indices de vieillissement plus marqués quant aux analyses sanguines et de la moelle osseuse des souris WrnΔhel en comparaison avec les souris contrôles. Par conséquent, ce modèle expérimental de vieillissement pourrait être utilisé pour les études futures sur la SVA sans les principaux effets athérogéniques des autres modèles expérimentaux. / Aortic valve stenosis (AVS) is associated with aging and classical cardiovascular risk factors. Different animal models were recently developed to study AVS and explore new therapies, however, most of these models rely almost exclusively on hypercholesterolemia-related mechanisms for AVS development. Werner syndrome (WS) is a disorder characterized by premature aging. It was recently demonstrated that mutant mice with a deletion of the helicase domain of the Werner gene, the gene responsible for WS, showed hemodynamic profile typical of AVS. We therefore hypothesized that mice with the WrnΔhel deletion could develop AVS earlier than wild-type (WT) mice. We studied the effect of the WrnΔhel mutation by comparing the rate of progression of AVS in homozygous mutant versus WT mice. By twenty-four weeks on a high-fat/high-carbohydrate diet, WrnΔhel/Δhel (WrnΔhel) mice showed a stronger decrease of the aortic valve area measured by serial echocardiography than WT mice, supported by histological analyses of valve fibrosis but without developing major signs of atherosclerosis such as lipid infiltration or increased inflammation. Some features linked to endothelial dysfunction also appeared to be increased in WrnΔhel mice. Other echocardiographic measurements were typical of AVS, such as left ventricle hypertrophy in the WrnΔhel group. We also observed stronger aging properties from WrnΔhel mice bone marrow and blood analyses compared to the WT group. Consequently, this experimental aging model could be used for AVS research without the major confounding atherogenic effects of other experimental models.