La tyrosinémie héréditaire de type 1 (HT1) est une maladie génétique orpheline dont la prévalence est particulièrement élevée dans certaines régions du Québec (plus de 1/2000 naissances au Saguenay-Lac-Saint-Jean). La HT1 est causée par l'absence d'une copie fonctionnelle du gène *FAH* qui code pour la fumarylacétoacétate hydrolase, la dernière enzyme de la voie catabolique de la tyrosine. L'absence de cette enzyme résulte en l'accumulation de métabolites toxiques qui entraînent un syndrome hépato-rénal grave et mènent généralement à l'hépatocarcinome. La prise de nitisinone (NTBC), un inhibiteur de l'enzyme HPD située en amont de l'enzyme FAH dans cette voie catabolique, permet aux patients HT1 de survivre jusqu'à l'âge adulte, mais ils demeurent à fort risque d'hépatocarcinome. Nous présentons deux stratégies d'édition génique *in vivo* faisant appel à une nucléase CRISPR-Cas9 pour corriger au foie le phénotype de souris $Fah\it^{Δexon5}$, un modèle de HT1. Nous montrons d'abord que la réorientation métabolique engendrée par l'inactivation du gène *Hpd* murin par une nucléase Cas9 de *Streptococcus thermophilus* permet de corriger rapidement et à long terme le phénotype de HT1. Nous présentons également une stratégie de correction du gène *Fah* par réparation par homologie (HDR) qui permettrait de corriger la majorité des mutations connues pour causer la HT1 chez l'humain (95/98) en plus de conserver les éléments natifs de régulation du gène. Nos données préliminaires indiquent que cette approche de correction génique permet de corriger le phénotype des souris $Fah\it^{Δexon5}$ et permet la survie des animaux traités à la suite du retrait du NTBC de leur alimentation. Finalement, nous présentons des preuves de concept pour de nouvelles approches thérapeutiques qui seront explorées lors de travaux subséquents. Les approches présentées ici pourront être utilisées pour le développement de traitements novateurs pour d'autres maladies orphelines. / Hereditary tyrosinemia type 1 (HT1) is an inherited orphan disease with an especially high prevalence in some regions of Quebec (more than 1/2000 live births in Saguenay-Lac-Saint-Jean). HT1 is caused by the absence of a functional copy of the *FAH* gene which codes for fumarylacetoacetate hydrolase, the last enzyme involved in the tyrosine catabolic pathway. The absence of this enzyme results in the build-up of toxic metabolites that cause severe hepato-renal syndrome and generally leads to hepatocarcinoma. Treatment with nitisinone (NTBC), an inhibitor of the HPD enzyme located upstream of FAH in the catabolic pathway, allows patients to survive to adulthood where they remain at high risk of developing cancer. We present two *in vivo* genome editing approaches based on a CRISPR-Cas9 nuclease to correct the liver phenotype of $Fah\it^{Δexon5}$ mice, a model of HT1. We first show that metabolic rewiring following the knock-out of the murine *Hpd* gene by a Cas9 nuclease from *Streptococcus thermophilus* allows for the rapid and long-term recovery of the HT1 phenotype. We also present a strategy for correcting the *Fah* gene based on homology-directed repair that would allow for the correction of most mutations known to cause HT1 in humans (95/98) while conserving native gene regulation elements. Our preliminary data indicates that this gene correction approach rescues the phenotype from $Fah\it^{Δexon5}$ mice and allows for the survival of the treated animals following NTBC withdrawal. Finally, we present proof of concept for new therapeutic approaches which will be explored in subsequent work. The therapeutic approaches presented here may allow for the development of novel treatments for other orphan diseases.

La tyrosinémie héréditaire de type I, un désordre autosomique récessif, aboutit à des lésions du foie et des reins avec un développement de carcinomes hépatocellulaires. Cette maladie est due à une déficience de la fumarylacétoacétate hydrolase menant à l'accumulation du fumarylacétoacétate qui peut être empêchée par l'administration de NTBC. L'objectif du travail est d'étudier les changements physiopathologiques et moléculaires qui peuvent survenir si le patient cesse de prendre le NTBC pour une raison et un temps donnés. Des souris FAH ~'~ ont été soumises à un protocole à deux interruptions de NTBC séparées par une reprise du traitement pendant un mois. Sans NTBC soit au premier ou au deuxième arrêt, ces souris subissent une diminution du poids corporel avec une hépatomégalie et une néphromégalie et montrent une induction de l'expression de protéines anti-apoptotiques, de PKC, MEK1/2 et ERK1/2. Une réversibilité de ces modifications a été observée en présence du NTBC de façon précoce et rapide.

La cellule a élaboré des mécanismes de surveillance afin d'assurer la fidélité de l'expression génique. Le nonsense-mediated mRNA decay (NMD) reconnaît et en général, dégrade rapidement les ARNm nonsens, qui contiennent des codons stop prématurés. Le NMD a longtemps été considéré comme un mécanisme de protection, permettant d'éviter la synthèse de protéines tronquées, potentiellement néfastes pour la cellule. Plus récemment, un nouveau rôle du NMD a émergé : il semble réguler l'expression génique, notamment lorsqu'il est couplé à l'épissage alternatif. D'autre part, bien que les mécanismes de reconnaissance et de dégradation des ARNm nonsens soient de mieux en mieux compris, une controverse subsiste quand à la localisation subcellulaire du NMD chez les mammifères. Ces deux aspects du NMD ont été abordés au cours de ma thèse dans le cas de l'étude du métabolisme des ARNm aberrants du gène de la fah, responsable de la tyrosinémie héréditaire de type I. Afin de mieux comprendre les bases moléculaires de la maladie, j'ai caractérisé les ARNm de la FAH contenant des mutations d'épissage (Q279R et V259L) ou nonsens (W262X) dans l'exon 9. Deux transcrits alternatifs du gène de la fah ont ainsi été mis en évidence pour ces trois mutations : del100 a éliminé l'exon 8 et del231 les exons 8 et 9. Del231 est fortement produit lorsque les mutations d'épissage Q279R et V259L sont présentes. L'étude des transcrits chez les patients avec ces deux mutations a permis de proposer un modèle d'épissage pour les exons 8 et 9. Une analyse plus poussée sur del100 et del231 a révélé que ceux-ci étaient en fait produits de façon minoritaire dans des cellules avec un gène normal de la fah, par épissage alternatif des exons 8 et 9. Del100, qui contient de nombreux PTCs suite à l'élimination de l'exon 8, est dégradé par NMD. Cependant, la quantité de transcrit restante semble suffisante pour la synthèse d'une protéine de 31-kDa, détectable dans plusieurs tissus humains. Ce premier transcrit alternatif de la fah est important à deux points de vue : premièrement, il semble illustrer le rôle possible du NMD couplé à l'épissage alternatif dans la régulation génique et deuxièmement, la protéine synthétisée pourrait être importante pour la tyrosinémie héréditaire de type I.

La tyrosinémie héréditaire de type 1 (TH1) est un désordre autosomique récessif causé par la déficience en fumarylacétoacétate hydrolase (FAH), la dernière enzyme du sentier catabolique de la tyrosine. Cette maladie métabolique sévère est caractérisée principalement par des dysfonctions hépatiques et rénales, dues à l’accumulation de métabolites toxiques. Par ailleurs, les dommages créés au niveau du foie peuvent mener jusqu’au développement d’un carcinome hépatocellulaire (CHC). Le seul traitement disponible est un apport quotidien en NTBC combiné avec une diète restrictive faible en tyrosine et phénylalanine. Alors que ce traitement augmente l’espérance de vie des patients, le risque de développer un CHC demeure. Les objectifs généraux du travail sont de définir les variations physiopathologiques du phénotype de la TH1 ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans la transformation cellulaire et la progression de la dysfonction hépatique dans un modèle murin. Des souris fah-/- ont été soumises à une interruption du NTBC afin d’étudier l’implication des voies de signalisation à différentes étapes de la maladie. Le retrait du NTBC induit une dégénérescence des conditions physiologiques générales. L’analyse histologique a dévoilé une distorsion de la morphologie du foie avec des lésions hépatocellulaires accompagnées d’inflammation et de nodules stéatosiques. Les résultats d’immunobuvardage ont démontré une modulation progressive et chronique des voies de signalisation en réponse au stress et liées à la survie et la prolifération cellulaire. À ce stade, aucun cancer n’a été diagnostiqué, mais une importante activation des voies de signalisation du réticulum endoplasmique a été démontrée durant la progression de la TH1. Cette modulation peut jouer un rôle central lors de la dégénération des cellules hépatiques en créant un microenvironnement propice à l’éventuelle croissance et invasion du CHC. / Hereditary tyrosinemia type 1 (HT1) is an autosomal recessive disorder caused by deficiency of fumarylacetoacetate hydrolase (FAH), the last enzyme of the tyrosine catabolic pathway. This severe metabolic disease is mainly caracterized by liver and kidney dysfuntion, due to the accumulation of toxic metabolites. Moreover, injuries inflicted on the liver could lead to the development of hepatocellular carcinoma (HCC). Actually, the only treatment is a daily intake of NTBC combined with a restrictive diet low in tyrosine and phenylalanine. While this treatment increases the life expectancy of patients, the risk of developing HCC remains. The general objectives of this work are to determine the pathophysiological changes of the HT1 phenotype and the molecular mechanisms involved in cell transformation and progression of liver dysfunction in a mouse model. fah-/- mice were subjected to NTBC withdrawal to investigate the signaling pathways involved in various stages of the disease. The interruption of NTBC induced a degeneration of general physiological conditions. Histological analysis revealed a distortion of the liver’s morphology with hepatocellular lesions, inflammation and steatotic nodules. Western blotting results have shown a chronic and progressive modulation of signaling pathways related to cell survival and proliferation in response to stress. At this point, no cancer has been diagnosed, but a significant activation of the endoplasmic reticulum signaling pathways has been demonstrated during the progression of TH1. This modulation may play a central role in the degeneration of liver cells by creating a microenvironment suitable for future HCC growth and invasion.

Une déficience de la fumarylacétoacétate hydrolase, dernière enzyme du sentier catabolique de la tyrosine entraîne un désordre appelé tyrosinémie héréditaire de type I. Cette enzyme est exprimée principalement au niveau du foie et des reins. Cependant, l'analyse de la région promotrice de ce gène révèle la présence de 11 sites de liaison au facteur de transcription Sp1 et l'absence de boîte TATA et CAAT, caractéristiques associées aux gènes ubiquitaires. Pour résoudre ce dilemme, nous avons entrepris d'étudier la région promotrice du gène murin de la fah par identification des sites d'initiation de la transcription, par l'identification des sites de liaison possibles pour des facteurs de transcription et par transfection transitoire de cette région promotrice dans les cellules HeLa, NIH3T3 et HepG2. Nos résultats suggèrent que le promoteur agit de façon ubiquitaire et qu'il y a absence de promoteurs alternatifs pouvant expliquer la spécificité tissulaire de son expression.

La tyrosinémie héréditaire de type I (TH I) est une maladie génétique. Elle est causée par une activité réduite de la fumarylacétoacétate hydrolase (FAH), la dernière enzyme impliquée dans la dégradation de la tyrosine chez l'humain. Cette déficience enzymatique cause l'accumulation de produits toxiques dans l'organisme, ce qui occasionne de graves problèmes de foie et une issue fatale dans l'enfance. La tyrosinémie héréditaire est une maladie rare. L'incidence de cette maladie dans le monde est une personne sur 120 000 naissances vivantes. Par contre, dans les régions du Saguenay Lac Saint-Jean et de Charlevoix l'incidence de cette maladie est très élevée : une personne sur 1846 nouveau-nés. Le but de ce projet est la synthèse des inhibiteurs de l'homogentisate 1,2- dioxygénase (HGO), la troisième enzyme, impliquée dans la dégradation de la tyrosine. Ces inhibiteurs représentent les analogues halogènes de l'acide homogentisique qui est le substrat de l'HGO. L'utilisation de ces inhibiteurs dans le traitement de la tyrosinémie héréditaire de type I peut devenir une bonne alternative de la transplantation hépatique qui représente, en ce moment, la méthode la plus efficace pour traiter cette maladie. / Hereditary tyrosinemia type (HT I) is the most severe genetic disease in human tyrosine catabolism, affecting liver, kidney and peripheral nerves. It results from reduced activity of fumarylacetoacetate hydrolase (FAH), the final enzyme in the degradation of tyrosine. The accumulation of toxic metabolites in liver leads to progressive liver malfunction and cirrhosis which leads to the fatal outcome in infancy. Despite the fact that tyrosinemia type I is a rare genetic disease (the Worldwide prevalence is 1 case to 120 000 newborns), in Saguenay Lac Saint-Jean and Charlevoix regions of Québec the prevalence of tyrosinemia type I is very high, one case to 1846 newborns. The object of this project is the synthesis of inhibitors of the homogentisate 1,2- dioxygenase (HGO), the third enzyme in the catabolic tyrosine pathway in human. These inhibitors represent the halogenated analogues of homogentisic acid, which is a substrate of HGO. Treatment of HT I using these inhibitors may be a very good alternative to the orthotopic liver transplantation (OLT) which is now the only effective form of therapy of this disease.