La sclérose en plaques (SP) est une maladie inflammatoire du système nerveux central (SNC) affectant plus de 2,5 millions de personnes dans le monde. Bien que son étiologie soit inconnue, de nombreuses données supportent la contribution des réponses immunitaires à la maladie. La présence de leucocytes au sein des lésions de démyélinisation est un marqueur neuropathologique de la SP. Les traitements actuels diminuent les exacerbations de la SP mais échouent à arrêter sa progression. Ainsi, il est essentiel d’identifier des nouvelles voies contribuant à la pathologie de la SP. NKG2D est un récepteur co-activateur de cellules effectrices qui participent à la surveillance immunitaire. Cependant, cette voie peut contribuer à l’inflammation et aux lésions tissulaires. Le blocage ou l’élimination du NKG2D réduit la gravité de la maladie dans des modèles animaux de SP. Dans la pathologie humaine, des lymphocytes T CD4+ et CD8+ NKG2D+ sont présents dans les lésions et élevés dans le sang périphérique des patients atteints de la forme cyclique de SP durant une poussée. Au moins un ligand du NKG2D (NKG2DL) est exprimé par des oligodendrocytes dans des lésions et les lymphocytes T CD8+ causent la mort in vitro des oligodendrocytes humains de façon NKG2D dépendante. On ignore encore si d’autres cellules neurales expriment des NKG2DL et sont susceptibles à la reconnaissance par le NKG2D. Dans cette thèse, nous avons investigué la contribution de la voie NKG2D à la pathologie de la SP. La première partie présente la caractérisation de l’expression des NKG2DL au sein du SNC. Nous avons trouvé des niveaux élevés de ULBP4, mais aucun autre ligand, dans les lésions et la matière blanche d’apparence normale chez des patients SP. Nous avons identifié des déclencheurs potentiels de l’expression de ULBP4 par les astrocytes. ULBP4 soluble est détecté dans le liquide céphalo-rachidien, et des essais fonctionnels ont démontré sa capacité à renforcer la sécrétion de cytokines inflammatoires par les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde partie, nous avons caractérisé les lymphocytes T exprimant NKG2D dans le sang de patients atteints des formes cycliques et progressives de la SP ainsi que chez des sujets témoins. Bien que nous ayons trouvé des proportions similaires, les lymphocytes T NKG2D+CD4+ de patients SP avaient un phénotype mémoire activé associé aux profils Th1 et Th1/Th17. Les lymphocytes T NKG2D+CD8+ étaient diminués chez les patients atteints de la forme cyclique. Cette population affichait une expression prédominante du granzyme B et manifestait des capacités de dégranulation envers les astrocytes exprimant ULBP4. Finalement, les analyses d’imagerie en temps réel ont révélé un rôle pour NKG2D et son ligand ULBP4 dans les interactions durables entre les astrocytes et les lymphocytes T CD8+ humains. Nos travaux identifient un nouveau mécanisme dans le dialogue entre ces types cellulaires. Globalement, ce projet de thèse présente une caractérisation en profondeur de la voie NKG2D dans la SP. De plus, il fournit de nouvelles preuves quant à l’implication de ULBP4 dans la pathophysiologie de la SP. De nouvelles investigations contribueront à élucider la validité de ULBP4 en tant que cible thérapeutique. / Multiple sclerosis (MS) is a neuroinflammatory disease of the central nervous system (CNS) that affects more than 2.5 million people worldwide. Despite its unknown etiology, numerous evidences point to aberrant immune responses that contribute to the typical tissue damage. Indeed, the presence of infiltrating immune cells within the characteristic focal demyelinating lesions is a pathological hallmark of MS. Current treatments, which target the immune system, generally control disease exacerbations, but have failed to stop progression. Therefore, it is essential to identify common immune pathways that contribute to MS pathology. NKG2D is a co-activating receptor of immune cells that plays a critical role in immune surveillance. Nevertheless, aberrant NKG2D-mediated responses can contribute to inflammation and tissue damage. Various studies have implicated the NKG2D pathway in MS. NKG2D blocking or depletion reduced disease severity in various EAE models, a commonly used animal model of MS. In the human pathology, NKG2D+CD4+ and CD8+ T lymphocytes have been found in MS lesions and are upregulated in the peripheral blood of RRMS patients under relapse. Moreover, at least one NKG2DL has been observed in oligodendrocytes from MS lesions, which were found near CD8+ T lymphocytes. Furthermore, in vitro studies have demonstrated NKG2D-dependent killing of human oligodendrocytes by CD8+ T lymphocytes. Whether other neural cells express NKG2DL and can thus be susceptible to NKG2D-mediated recognition was still unknown. In this thesis, we investigated further the contribution of the NKG2D pathway to the pathobiology of MS. The first part of this project consisted in the evaluation of NKG2DL expression within the CNS. We found upregulated levels of ULBP4, and no other NKG2DL, in MS lesions and normal appearing white matter from MS patients. Moreover, we identified potential triggers observed in MS lesions that could impact on ULBP4 expression. Soluble ULBP4 was also found in the cerebrospinal fluid, and functional assays demonstrated its capacity to boost inflammatory cytokines secretion by CD8+ T lymphocytes. In the second part, we performed a deep characterization of CD4+ and CD8+ T lymphocytes expressing NKG2D in blood samples from relapsing-remitting and progressive forms of MS as well as age and sex matched healthy controls. Despite finding similar proportions, NKG2D+CD4+ T lymphocytes from MS patients exhibited an activated memory phenotype associated with Th1 and Th1/Th17 responses. In contrast, NKG2D+CD8+ T lymphocytes were reduced in RRMS patients. This subset displayed a predominant granzyme B expression irrespective of the donors’ group, and exhibited degranulating capacities toward ULBP4-expressing astrocytes. Finally, live imaging analysis revealed a role for NKG2D and its ligand ULBP4 in the establishment of long-lasting interaction between astrocytes and CD8+ T lymphocytes. This provides a new mechanism involved in the dialogue between these cell types. Overall, this thesis project provides a deep characterization of the NKG2D pathway in relapsing-remitting and progressive MS patients. Moreover, it provides new evidence for the involvement of ULBP4, a specific NKG2DL, in the pathophysiology of MS. Further investigations will contribute to elucidate the validity of ULBP4 as a therapeutic target in MS.

Le transport actif de sodium par les cellules épithéliales alvéolaires est le principal mécanisme impliqué dans la régulation du niveau de liquide dans le poumon distal. Le canal épithélial sodique (ENaC) exprimé par les cellules épithéliales alvéolaires est essentiel à la résorption du liquide des poumons à la naissance ainsi que la résolution de l'œdème pulmonaire chez l'adulte. L'activité et l'expression du canal ENaC sont modulées par de nombreux stress pathophysiologiques. L'inflammation pulmonaire constitue un facteur important dans l'inhibition de l'expression du canal ENaC et pourrait favoriser la formation d'œdème pulmonaire. Nous avons précédemment démontré que différentes cytokines pro-inflammatoires, ainsi que les lipopolysaccharides (LPS) de Pseudomonas aeruginosa, inhibent l'expression de l'ARNm αENaC par des mécanismes de régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle. Ces résultats suggèrent que les mécanismes qui modulent la stabilité des ARNm αENaC pourraient jouer un rôle important dans la régulation du niveau d’expression du transcrit en condition inflammatoire. Le principal objectif de mes travaux était de caractériser les mécanismes de modulation de l’ARNm αENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires lors de différents stress pathophysiologiques et déterminer si cette modulation pouvait s’expliquer en partie par une régulation de la stabilité du transcrit. Mes travaux montrent que les LPS et la cycloheximide inhibent l’expression de l’ARNm αENaC de façon similaire via l’activation des voies de signalisation des MAPK ERK1/2 et p38. Cependant, les mécanismes de modulation de l’expression de l'ARNm αENaC sont différents puisque les LPS répriment la transcription du gène, alors que la cycloheximide diminuerait la stabilité du transcrit via des mécanismes post-transcriptionnels impliquant la région 3' non traduite (3'UTR) de l'ARNm αENaC. Pour mieux étudier le rôle du 3'UTR dans ce processus, nous avons développé un modèle Tet-Off nous permettant de mesurer la demi-vie de l’ARNm αENaC indépendamment de l’utilisation d’un inhibiteur de la transcription comme l'actinomycine D (Act. D). Nous avons montré que la demi-vie de l’ARNm αENaC était de 100min, un temps beaucoup plus court que celui rapporté dans la littérature. Nous avons démontré que l’Act. D a un effet stabilisateur important sur l’ARNm αENaC et qu’il ne peut être utilisé pour évaluer la stabilité du transcrit. À l’aide de différents mutants de délétion, nous avons entrepris de déterminer la nature des régions du 3’UTR impliquées dans la modulation de la stabilité du transcrit. Nous avons trouvé que le 3’UTR joue un rôle à la fois de stabilisation (région 3’UTR proximale) et de déstabilisation (région 3’UTR distale) du transcrit. Notre système nous a finalement permis de confirmer que la diminution de l’ARNm αENaC observée en présence de TNF-α s’expliquait en partie par une diminution importante de la stabilité du transcrit induite par cette cytokine. Enfin, nous avons identifié la nature des protéines pouvant se lier au 3’UTR de l’ARNm αENaC et déterminé lesquelles pouvaient moduler la stabilité du transcrit. Des trois protéines candidates trouvées, nous avons confirmé que la surexpression de DHX36 et TIAL1 diminue le niveau de transcrit par un mécanisme impliquant la stabilité du messager. Les travaux présentés ici montrent la complexité des voies de signalisation induites par différents stress sur les cellules épithéliales alvéolaires et montrent comment la stabilité de l’ARNm αENaC et en particulier, les séquences du 3’UTR jouent un rôle important dans la modulation du niveau de transcrit. Le modèle Tet-Off que nous avons développé permet d’estimer le temps de demi-vie réel de l’ARNm αENaC et montre que le 3’UTR du messager joue un rôle complexe dans la stabilisation du messager en condition de base ainsi qu’en condition pro-inflammatoire. Enfin, nous avons identifié deux protéines liant l’ARNm qui pourraient jouer un rôle important dans la modulation de la stabilité du transcrit. / The epithelial sodium channel (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells plays a major role for lung liquid clearance at birth and lung edema resorption in adulthood. The expression and activity of ENaC are inhibited by many pathophysiological stress that could have an impact in the clinical outcome of acute respiratory distress syndrome (ARDS). Pulmonary inflammation is an important factor in this inhibition that may promote or sustain pulmonary edema. We have previously shown that pro-inflammatory cytokines and lipopolysaccharide (LPS) from Pseudomonas aeruginosa inhibit αENaC mRNA expression by transcriptional and post-transcriptional mechanisms, suggesting that a modulation of αENaC mRNA stability could play a role in this process. The main objective of the present work was to characterize how different pathophysiological stress affect αENaC mRNA expression in alveolar epithelial cells and determine whether this modulation could be explained in part by regulating the stability of the transcript. Our study shows that LPS and cycloheximide decrease the level of αENaC mRNA with a similar time course and via the activation of the MAPK ERK1/2 and p38 signaling pathways. Despite similarities, there were important differences in the mechanisms involved in the modulation of αENaC mRNA expression. While LPS repress αENaC mRNA transcription, cycloheximide triggers post-transcriptional mechanisms involving the 3' untranslated region (3'UTR) of αENaC mRNA. To further study the role of αENaC 3'UTR in this process, we developed a Tet-Off model that allows us to measure the half-life of αENaC mRNA regardless of the use of a transcription inhibitor such as actinomycin D (Act. D). Using this system, we showed a 100 min half-life for αENaC mRNA, a much shorter time then the one reported for this mRNA using Act. D. We showed that Act. D has an important stabilizing effect on αENaC mRNA and cannot be used to assess the stability of the transcript. Using deletion mutants of the αENaC 3'UTR region, we determined how different portions of 3'UTR were important in modulating stability of the transcript. We found that the 3'UTR has dual functions, with portions important to promote stabilization (proximal 3'UTR) and others that strongly destabilize (distal 3'UTR) the transcript. Our system also allowed us to confirm that the decreased expression of αENaC mRNA induced by TNF-α results in part by a decreased stability of the mRNA. Finally, we identified several RNA-binding proteins that interact specifically with αENaC 3'UTR and determined if these proteins had an impact on transcript stability. Surexpression of two of these proteins in alveolar epithelial cells, DHX36 and TIAL1 was able to decrease the level of αENaC mRNA via a downregulation of mRNA stability. The work presented here shows the complexity of the signal transduction pathways elicited by different pathological stress conditions in alveolar epithelial cells and is the first to show that αENaC mRNA stability elicited by sequences in 3’UTR plays an important role in modulating the level of the transcript. The Tet-Off model that we developed allows to accurately estimate the half-life of αENaC mRNA and shows that the 3’UTR portion of the mRNA plays a complex role in the modulation of transcript stability in basal and pro-inflammatory conditions. Finally, we identified two putative RNA-binding proteins able to specifically recognize αENaC 3’UTR and modulate the transcript stability.

L´apoptosi, o mort cel.lular programada, és un procés actiu que mobilitza els recursos cel.lulars amb l´objectiu de mantenir l´homeostasi de l´organisme a expenses del suïcidi de cèl.lules individuals. Diferents estudis han mostrat un increment de l´activiat d´algunes cdk, especialment Cdk1 i Cdk2, en correlació amb la progressió dels primers estadis apoptòtics. En el nostre laboratori l´estudi de l´apoptosi en timòcits, els quals no tenen una activitat cdk significativa degut a l´aturada del cicle cel.lular en G1, demostren que la inducció de l´activitat de Cdk2 després del tractament amb radiació gamma o amb glucocorticoides és necessària per l´inici de l´apoptosi. Mentre cap de les ciclines conegudes sembla ser la proteïna activadora de Cdk2 en apoptosi, en el nostre laboratori hem identificat un nou membre de la família de les ciclines, denominada Ciclina O, capaç d´activar aquesta kinasa in vivo en línies cel.lulars. L´expressió d´aquesta nova ciclina en el timus, i altres teixits, s´indueix ràpidament després del tractament amb radiació gamma i coincideix amb l´aparició de l´apoptosi. Aquests resultats posicionen la Ciclina O com a millor candidat a ser l´activador de Cdk2 necessari per induïr la mort cel.lular programada en el timus, i probablement també en altres òrgans. / The apoptosis, also called programmed cell death, is an active process able to use the cellular mechanisms to kill individual cells in order to keep the functional homeostasis of the whole organism. Different studies had shown a correlation between the first apoptotic events and the induction of some cdk proteins, particularly Cdk1 and Cdk2. The studies of thymocytes in our laboratory, wich lacks the most amount of cdk activity related to the cell cycle because of its arrest in G1, had shown that the induction of Cdk2 activity after the treatment with gamma radiation or glucocorticoids is a necessary step for the apoptosis induction. While any of the cyclins described at the moment seems to be the Cdk2 activator for apoptosis a new member of the cyclin family able to activate the kinase Cdk2 in vivo in cell lines has been identified in our laboratory. The expresion of this cyclin, known as Cyclin O, is quickly induced in the thymus after the treatment with gamma radiation and correlates with the induction of apoptosis. These results position Cyclin O as the best candidate to activate Cdk2 and inuce the programmed cell death in the thymus, and probably other tissues.

RNA ist ein zentrales Molekül in der Zelle und essentiell für ihre Lebensfunktionen. Die durchschnittliche Halbwertszeit von RNA-Molekülen limitiert jedoch die zeitliche Auflösung herkömmlicher RNA-Sequenzierung, da geringe Änderungen im Transkriptom kaum zu erkennen sind, bis eine gewisse Anzahl an Molekülen akkumuliert. Durch metabolische Markierung von RNA (SLAMseq) kann die Auflösung deutlich erhöht werden. Hierfür werden der Probe markierte Nucleotide (4sU/4sUTP) zugesetzt, die dann zufällig in neu transkribierte RNA inkorporiert werden und eine Unterscheidung zwischen ‚neuer‘ und ‚alter‘ RNA erlauben. In dieser Arbeit werden eine der ersten Einzelzell-SLAMseq-Methoden, die dazugehörige Datenanalyse-Software sowie drei Anwendungen der entwickelten Methoden vorgestellt. Die erste Anwendung verwendet Einzelzell-SLAMseq, um zwischen maternaler (alter) und zygotischer (neuer) RNA in sich entwickelnden Zebrafischembryos bis zur Gastrulation zu unterscheiden. Im Rahmen des Projekts entstand der erste Einzelzell-SLAMseq-Datensatz in einem vollständigen Wirbeltier, der es außerdem erlaubt, im Vorfeld identifizierten lokalisierten maternalen Transkripten zeitlich zu folgen. Diese – vorher uncharakterisierten –Transkripte wurden während der Gastrulation in den Keimzellen angereichert gefunden, was Rückschlüsse auf ihre mögliche Funktion erlaubt. Die zweite Anwendung konzentriert sich auf die neu transkribierte RNA und verwendet (Einzelzell-)SLAMseq, um Transkripte, die in Reaktion auf Stress während der Probenaufbereitung hergestellt wurden, zu identifizieren und rechnerisch zu entfernen. Die Vorteile der Methode werden in mehreren Systemen und Geweben (Mausherz, Zebrafischlarve, Maus-Microglia) demonstriert. In der dritten Anwendung wird eine Machbarkeitsstudie für in vivo SLAMseq zur Identifikation der initialen Immunantwort nach Makrophagenstimulation präsentiert, die auf einen deutlichen Gewinn an zeitlicher Auflösung durch SLAMseq hindeutet. / RNA is a central molecule in the cell and essential to its life functions. With the average RNA half life being multiple hours, regular RNA sequencing has an intrinsic limit on temporal resolution, where small changes in the transcriptome are not picked up until a certain amount of transcripts has build up. This resolution can be greatly improved using RNA metabolic labelling (SLAMseq), where labelled nucleotides (4sU/4sUTP) are added to the samples. These nucleotides are randomly incorporated into nascent transcripts and allow distinction between RNA produced before and after introduction of the labelling agent. This thesis presents one of the first high throughput single cell SLAMseq protocols, an accompanying computational pipeline for data analysis as well as three applications for the developed methods. The first application uses single cell SLAMseq to distinguish between maternal (unlabelled) and zygotic (labelled) transcripts in early zebrafish development (up to mid-gastrulation). This project generated the first single cell SLAMseq dataset in a whole vertebrate. Additionally the data allows to follow a previously discovered set of vegetally localised maternal transcripts in time and determine that these specific transcripts are mainly enriched in the primordial germ cells at gastrulation, therefore ascribing a potential function to a set of so far uncharacterised genes. The second application focuses on newly transcribed RNA and uses (single cell) SLAMseq as a technique to identify and remove transcripts generated in response to sample preparation stress. The method’s benefits are demonstrated in multiple systems and tissues, among them mouse cardiomyocytes, zebrafish larvae and mouse microglia. Finally as the third application an in vivo proof of concept study of SLAMseq to identify first response genes in macrophage stimulation is presented, where the introduction of 4sU shows clear advantages in temporal resolution compared to unlabelled data.