Les vecteurs lentiviraux (LV) sont des outils efficaces de transfert de gène, largement utilisés en thérapie génique, en particulier pour la transduction ex vivo de cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (CSPH). Afin d’étudier simultanément la fusion et la transduction dans les CSPH avec les LV, nous avons adapté une méthode basée sur latechnologie du transfert d’énergie entre deux molécules fluorescentes (FRET). Pour mettre en place cette technique, des LV capables d’incorporer spécifiquement une enzyme, la bétalactamase (BLAM-LV) et de coder une forme tronquée du récepteur au facteur de croissance nerveuse (DELTA-NGFR), sont produits. Nos résultats montrent que les LV sont soumis à une restriction post-entrée forte dans les cellules hématopoïétiques, que ce soit dans des lymphocytes T immortalisés ou bien des CSH CD34+. Nous montrons également que cette inhibition post-entrée peut être partiellement saturée après une forte augmentation de la multiplicité d’infection ou en présence d’additifs de culture, comme la Vectofusin-1® ou laRetronectin®. De plus, nous avons montré lors de la transduction de CSPH avec des vecteurs BLAM-LV que la Vectofusin-1® agit sur l’étape d’entrée en augmentant l’adhésion et la fusion entre les membranes virale et cellulaire. Cette technique représente donc un nouvel outil sensible et efficace pour étudier de façon concomitante l’étape de fusion et le niveau de transduction dans les cellules cibles. A terme, ce travail permettra une meilleure compréhension de la biologie des LV mais pourra également conduire à l’élaboration de protocoles de transduction lentivirale plus efficaces. / Lentiviral vectors (LV) are used for various gene transfer applications, notably for hematopoietic gene therapy, but methods are lacking to precisely evaluate parameters that control the efficiency of transduction in relation with the entry of vectors into target cells. We adapted a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based HIV-1 fusion assay to measure the entry of non-replicative recombinant LV in various cell types, including primary human hematopoietic stem and progenitor cells, and to quantify the level of transduction of he same initially-infected cells. The assay utilizes recombinant LV containing betalactamase (BLAM)-Vpr chimeric proteins (BLAM-LV) and encoding a truncated form of thelow affinity nerve growth factor receptor (DELTA-NGFR). This LV-based fusion/transduction assay is a dynamic and versatile tool, revealing for instance the extent of lentiviral post-entry restrictions occuring in cells of hematopoietic origin. The assay also shows that transduction enhancers like Vectofusin®-1 or Retronectin® can partially relieve this post-entry block but their effects differ in the way to promote LV entry. Furthermore, our results show that Vectofusin®-1 acts at the entry step by promoting the adhesion and the fusion between lentiviral and cellular membranes. In conclusion, one such assay should be useful to study hematopoietic post-entry restrictions directed against LV and should allow improvements in various LV-based gene therapy protocols.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative héréditaire, incurable.Elle est due à une mutation dans le gène HD codant l'huntingtine (htt). Cette mutation setraduit dans la protéine par une augmentation de l'expansion polyglutamine (polyGln) qui larend toxique. Bien que la htt soit ubiquitaire dans le système nerveux central, ladégénérescence touche préférentiellement le striatum. Un patron d'expression de gènesspécifiques du striatum pourrait expliquer cette vulnérabilité préférentielle. Nous avons étudiéles effets "modificateurs" de 5 gènes préférentiellement exprimés dans le striatum vis-à-visde la toxicité de la htt mutée par une approche lentivirale chez la souris. Nous avonscaractérisé les effets de ces marqueurs striataux sur la toxicité induite par la htt mutée pardifférentes approches histologiques. Les "modificateurs" de la MH ont été étudiés plus endétail. Nous avons examiné leur localisation et les mécanismes sous-jacents à leurs effetsneuroprotecteurs. Outre une meilleure compréhension du striatum, cette étude a permis ladécouverte de candidat neuroprotecteur qui pourrait permettre de développer de nouvellesthérapies. / Huntington's disease (HD) is an incurable inherited neurodegenerative disease. HD iscaused by a mutation in the HD gene coding huntingtin (htt). This mutation leads to anexpanded polyglutamine tract (polyQ) in the protein which is toxic to neurons. Although thehtt is ubiquitously expressed in the central nervous system, the first area which degeneratesis the striatum. A pattern of genes selectively expressed into the striatum may confer itsvulnerability to mutated htt. We have studied the modifying effects of five newly identifiedstriatal markers against the toxicity induced by mutated htt using lentiviral strategy in miceand histological approaches. For one of these markers, Double Cortin Kinase Like 3(DCLK3), we have further determined their cellular localization and the potential mechanismsunderlying their neuroprotector effects. The present work led to a better understanding of thefunction of the newly identified markers in the striatum and their potential roles in thepreferential vulnerability of the striatum in HD.

Les astrocytes sont des cellules gliales jouant un rôle primordial dans le fonctionnement cérébral. Ils remplissent de nombreuses fonctions allant de la régulation de l'homéostasie ionique, à la modulation de la transmission synaptique en passant par la régulation du métabolisme énergétique. Les transporteurs astrocytaires au glutamate GLAST et GLT-1 tiennent un rôle particulièrement important dans ces fonctions astrocytaires. La recapture du glutamate libéré dans la synapse module la neurotransmission et évite la stimulation excessive des récepteurs glutamatergiques qui peut induire des phénomènes d'excitotoxicité provoquant la mort des neurones. Le couplage neurométabolique entre astrocytes et neurones repose également sur l'activité de ces transporteurs. De nombreuses données indiquent que des déficits des transporteurs au glutamate sont impliqués dans la plupart des maladies neurodégénératives. Les astrocytes et les transporteurs au glutamate représentent ainsi de potentielles cibles thérapeutiques dans le cadre des maladies neurodégénératives. L'étude de ces interactions neurones-astrocytes, en particulier sur des modèles in vivo, nécessite des outils particuliers permettant de disséquer le rôle de chaque type cellulaire. Cependant, il existe peu d'outils spécifiques et efficaces pour cibler les astrocytes in vivo. Notre objectif a été de développer un nouveau vecteur viral permettant une transduction spécifique des astrocytes in vivo, avec une efficacité importante et pouvant être utilisé dans l'ensemble du cerveau avec de nombreux transgènes. Au cours de ce travail nous avons développé trois voies de recherche. Ainsi, nous avons modifié l'enveloppe du vecteur et tester trois glycoprotéines d'enveloppe, VSV, Mokola et Rabies. Nous avons également utilisé trois promoteurs différents, PGK, CMV et EAAT1 afin de moduler l'expression du transgène dans les astrocytes. Et enfin, nous avons développé une nouvelle méthode de régulation post-transcriptionnelle utilisant les microARN. Nos résultats permettent de conclure qu'un vecteur lentiviral avec l'enveloppe Mokola, contenant le promoteur PGK et des cibles de microARN spécifiques des neurones est un outil efficace pour cibler les astrocytes in vivo. Nous avons utilisé ce nouvel outil pour surexprimer les transporteurs astrocytaires au glutamate (GLAST et GLT-1) et pour inhiber leur expression grâce aux techniques de « RNA silencing ». La surexpression du transporteur GLAST permet une neuroprotection significative en condition excitotoxique tandis que l'inhibition de GLT-1 induit une diminution du métabolisme cérébral. Ces résultats préliminaires apportent la preuve de principe de l'efficacité de notre outil in vivo et confirment le rôle central des transporteurs astrocytaires. Il est ainsi possible d'anticiper que ce nouvel outil permettra à la fois une meilleure compréhension du fonctionnement des astrocytes in vivo et qu'il peut représenter un vecteur de choix dans la perspective d'une thérapie génique ciblant ces cellules.

L’hyperoxalurie primitive de type 1 (ou HP1) est une maladie héréditaire du métabolisme liée à un déficit en enzyme hépatocytaire AGT (alanine:glyoxylate aminotransférase), codée par le gène AGXT. Ce déficit entraîne, chez les patients atteints d’HP1, une excrétion hépatique accrue d’oxalate ; celui-ci est ensuite éliminé dans les urines où il se complexe avec le calcium pour former des néphrolithiases oxalo-calciques massives, pouvant conduire à une insuffisance rénale chronique. Le seul traitement curatif disponible pour cette pathologie est la greffe allogénique combinée hépatorénale, actuellement limitée par la disponibilité des donneurs de greffons, une morbi-mortalité significative et la nécessité d’un traitement immunosuppresseur au long cours. L’objectif du projet de recherche est de développer une thérapie génique de l’HP1 par greffe de cellules hépatiques autologues génétiquement corrigées. La faible disponibilité et la difficulté d’amplification in vitro des hépatocytes adultes nous a conduit à explorer la piste des cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) pour produire des cellules hépatiques humaines utilisables en médecine régénérative. Nous avons dérivé et caractérisé des lignées de cellules iPSCs à partir de fibroblastes de patients atteints d’HP1, après expression transitoire des facteurs de reprogrammation par des vecteurs Sendai. Nous avons développé deux stratégies de thérapie génique additive par insertion d’un minigène codant une séquence optimisée de l’ADNc AGXT au moyen (1) d’un vecteur lentiviral à expression hépato-spécifique et (2) d’un processus de recombinaison homologue au locus AAVS1 facilité par le système de clivage ciblé de l’ADN « CRISPR/Cas9 ». Enfin, nous avons mis en évidence l’expression de la cassette thérapeutique après différenciation hépatocytaire des iPSCs génétiquement corrigées. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives de médecine régénérative pour l’HP1 par transplantation de cellules hépatocytaires autologues génétiquement corrigées dérivées d’iPSCs de patients. / Primary hyperoxaluria type 1 (or PH1) is an inherited metabolic disorder related to the deficiency of the hepatic AGT enzyme (alanine:glyoxylate aminotransferase), which is encoded by the AGXT gene. In PH1 patients, this deficiency leads to oxalate overexcretion by liver, followed by urine filtration and complexation with calcium to form massive calcium-oxalate nephrolithiasis potentially leading to chronic renal failure. The only available curative treatment is combined hepatorenal allogeneic engraftment, which is currently limited by the availability of transplant donors, significant morbidity and mortality, and the need for long-term immunosuppressive treatment. The aim of our research project is to develop gene therapy for PH1, consisting in engraftment of genetically corrected autologous liver cells. Considering that adult hepatocytes are hardly available and expandable in vitro, we chose to explore the use of induced pluripotent stem cells (iPSCs) to produce human liver cells for application in regenerative medicine. We derived and characterized iPSC lines from PH1 patient fibroblasts after transient expression of reprogramming factors delivered by Sendai virus vectors. We developed two additive gene therapy strategies by inserting a minigene encoding an optimized AGXT cDNA sequence using (1) a lentiviral vector designed for liver-specific expression and (2) homologous recombination process at the AAVS1 locus favoured by the targeted DNA cutting system “CRISPR/Cas9”. Finally, we highlighted therapeutic cassette expression after hepatic differentiation of genetically corrected iPSCs. These results pave the way for regenerative medicine for PH1 by transplantation of genetically modified autologous hepatocyte-like cells derived from patient-specific iPSCs.

Le transfert de gènes dans les cellules souches hématopoïétiques par des vecteurs lentiviraux s’inscrit dans les protocoles actuels de traitement par thérapie génique de plusieurs maladies monogéniques (B-thalassémie, Adrénoleucodystrophie, SCID…). De même, le transfert de gènes dans les lymphocytes T et B ouvre des perspectives tant au niveau de la thérapie génique que pour l’immunothérapie. Nous avons mis au point des vecteurs lentiviraux pseudotypés par des glycoprotéines chimérique (BaEV/TR) et mutante (BaEVRLess) du rétrovirus endogène de babouin. Nous avons montré que ces nouveaux vecteurs peuvent transduire de manière plus efficace les cellules souches hématopoïétiques stimulées et quiescentes que les vecteurs pseudotypés par la glycoprotéine du virus de la stomatite vésiculaire (VSV-G). Il en est de même pour les vecteurs développés récemment et pseudotypés par les Glycoprotéines H et F du virus de la rougeole. Nous avons aussi comparé la capacité de ces derniers vecteurs à ceux pseudotypés par les glycoprotéines BaEV/TR et BaEVRLess dans le transfert de gènes dans les lymphocytes B et T ainsi que dans l’ensemble des cellules de la lignée T. Nous sommes désormais en mesure de proposer des vecteurs adaptés au transfert de gènes à chaque étape de la différenciation des cellules CD34+ en thymocytes ainsi qu’en lymphocytes T matures. Ceci pourrait permettre de proposer de nouveaux protocoles cliniques en thérapie génique avec une co-transplantation de cellules souches génétiquement modifiées et de cellules T différenciées à partir de ces cellules. Ceci permettrait notamment de réduire les phases d’aplasie actuellement nécessaires pour la greffe de cellules souches. / Lentiviral vectors and their ability to transfer gene into hematopoietic stem cells are currently evaluated for the cure of several single-gene diseases (eg : B-thalassemia, Adrenoleucodystrophy, SCID). Likewise, gene transfer into B and T lymphocytes is of major interest in gene therapy and immunotherapy. We engineered new lentiviral vectors pseudotyped by some chimeric (BaEV/TR) and mutant (BaEVRLess) glycoproteins from the baboon endogenous retrovirus. We demonstrated that these new vectors can transduce more efficiently resting and mild stimulated hematopoietic stem cells than obtained with lentivectors pseudotyped by the glycoprotein G from the vesicular stomatitis virus (VSV-G). It is the same with the recently developed lentiviral vectors pseudotyped by the H and F glycoprotein from measles virus (H/F-LVs). We also compared the ability of the H/F-LVs with the BaEV/TR and BaEVRLess lentiviral vector pseudotype to transfer genes into B and T lymphocytes and into the whole T lineage. From now on, we are able to propose adapted vectors for gene transfer at each stage of differentiation from CD34+ cells to thymocytes and mature T cells. This could allow us to propose some new clinical protocols in gene therapy with a co-transplantation of genetically modified stem cells and their differentiated T progenitors in order to reduce the aplasia stage induced by current transplantation protocols.