Il est maintenant établi que les cellules souches mésenchymateuses (MSC), résident dans la même niche que les cellules souches hématopoïétiques (HSC), au sein de la moelle osseuse (MO). Il est connu que la pression en O2 (pO2) de la niche est inférieure à la normale, soit moins de 5% pO2 contre 12-15 % pO2 dans le sang artériel. Cette hypoxie a des conséquences sur le métabolisme, en protégeant les cellules contre le stress oxydatif et en favorisant leur caractère multipotent. Notre hypothèse est que les MSC cultivées en hypoxie devraient être plus proches de leur condition physiologique, donc plus multipotentes. Des MSC de la MO humaine ont été cultivées en pO2 de 21% et 5%. Leur morphologie, capacité de différenciation en ostéocytes et adipocytes, et transcriptome ont été comparés à différents passages. Nous avons observé un ralentissement de la prolifération à des temps précoces à pO2 5%, caractérisée par une inhibition de l'expression de gènes impliqués dans la réplication et le cycle cellulaire, puis une augmentation à des passages tardifs. Les gènes codant pour des molécules d'adhérence et de la matrice extracellulaire sont stimulés par l'hypoxie. A des temps tardifs, la capacité de différenciation des MSC est stimulée en hypoxie, les cellules présentent un aspect plus immature et une diminution de synthèse des mitochondries. Surtout, l'hypoxie stimule la synthèse de « gènes de la plasticité » suivant le logiciel « Gene Ontology », et de gènes impliqués dans le développement épithélial et neuronal. En conclusion, la culture des MSC de MO en hypoxie semble plus physiologique et pourrait être utile pour des applications en médecine régénératrice / It is now settled that mesenchymal stem cells (MSC), reside in the same microenvironment or niche than hematopoietic stem cells (HSC), within the bone marrow (BM). It is also known that the O2 tension (pO2) of the niche is below 5% as compared to 21% O2 in the air and 12-15% in the arterial blood. As developed in our recent review, this physiological hypoxia protects stem cells from oxidative stress and maintains their multipotential state. Our hypothesis is that MSC cultured in hypoxia should be closer to their physiological condition and therefore more "multipotent". MSC from human BM were cultured et 21% and at 5% pO2. Their morphology, their ability to differentiate into osteocytes and adipocytes, and their transcriptome were compared at different passages. We observed a decrease of proliferation rate in early times in hypoxia, characterized by inhibition of the expression of genes involved in cell replication and cell cycle, and an increase in later passages. Whatever the passage, the genes encoding adhesion molecules and extracellular matrix are stimulated by hypoxia. At later times, the ability of MSC differentiation is stimulated by hypoxia, the cells look to be more immature and show decreased synthesis of mitochondria. Indeed, hypoxia stimulates the synthesis of plasticity genes according to "Gene Ontology" (GO) terms, and of several genes involved in neuronal- and epithelial-cell development. In conclusion, the culture of MSC from BM in hypoxia seems to be more physiological and may be useful for regenerative medicine applications.

L’amaurose congénitale de Leber (ACL) est une maladie génétique touchant la rétine. Les premiers symptômes apparaissent dès les premiers mois de la vie et mènent en quelques années à la cécité. A ce jour, des mutations dans 18 gènes ont été associées à la maladie. Cette hétérogénéité génétique rend difficile l’étude des mécanismes conduisant aux différents symptômes. Les modèles animaux utilisés en laboratoire, notamment les rongeurs, permettent d’étudier certains de ces mécanismes mais présentent des limites liées à l’espèce. Les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), qui proviennent de la reprogrammation de cellules somatiques issues de patients, constituent un nouvel outil pour étudier une maladie génétique dans un contexte humain naturel. Elles permettent d’obtenir tous les phénotypes cellulaires désirés sans limite quantitative ce qui ouvre la porte à des approches d’analyse à large échelle telle que l’analyse transcriptomique qui vise à explorer de manière systématique la modulation des gènes dans une maladie. L’objectif de mon projet de recherche a été de développer un modèle cellulaire humain naturellement porteur de l’ACL. Après avoir produit les iPSCs à partir de fibroblastes de patients, mes travaux ont consisté à les différencier en populations cellulaires homogènes et facilement amplifiables, les cellules souches neurales et les cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien. Ces populations ont servi à mener des analyses transcriptomiques à large échelle qui ont permis d’identifier plusieurs gènes candidats, potentiellement impliqués dans le développement de la pathologie, parmi lesquels GSTT1 qui pourrait avoir un rôle dans le stress oxydatif. / Leber congenital amaurosis (LCA) is a genetic disease affecting the retina. The first symptoms appear in the first months of life and lead in few years to blindness. To date, mutations in 18 genes have been associated with the disease. This genetic heterogeneity makes it difficult to study mechanisms leading to different symptoms. Animal models, including rodents, are used to study some of these mechanisms but have limitations mostly related to the species. The induced pluripotent stem cells (iPSCs), which are reprogrammed somatic cells of patients, constitute a new tool for studying genetic diseases in a natural human context. They achieve all desired cell phenotypes without quantitative limits which opens the door to large-scale analysis approaches such as transcriptomic analysis that aims to systematically explore the modulation of genes in a disease. The aim of my research project was to develop a human cell model naturally carries the LCA. After producing the iPSCs from fibroblasts of patients, my work had consisted to differentiate them into homogeneous and easily amplifiable cell populations, neural stem cells and retinal pigment epithelial cells. These populations have served to conduct large-scale transcriptomic analyzes which have identified several candidate genes potentially involved in the development of the disease, including GSTT1 which might have a role in oxidative stress.

Les leucémies aiguës myéloblastiques (LAM) sont un groupe hétérogène de pathologies malignes représentant environ 70% des leucémies aiguës. Il existe une prolifération, dans le cadre des LAM de cellules immatures appartenant à la lignée myéloïde appelées myéloblastes ou communément blastes. Les traitements actuels reposent essentiellement sur la chimiothérapie antimitotique. L’homéostasie du fer est une cible dans le traitement des LAM en induisant la différentiation des blastes. Le mécanisme implique la modulation des ROS. Leur action est synergique avec celle de la Vitamine D (VD) au travers de l’activation de la voie des MAPK. Cette association a été utilisée chez plusieurs patients avec succès permettant un doublement de leur espérance de vie. Nous avons ensuite montré que l’expression du récepteur expression vitamine D (VD) est altérée dans les états indifférenciés / immatures sous-types de LAM et que la diminution de l'expression du VDR et de ces gènes cibles est corrélée à un mauvais pronostic chez les patients. Le mécanisme moléculaire entraînant le blocage de l'expression VDR implique la méthylation de son promoteur. Les souris invalidées pour le VDR ont une expansion du compartiment des cellules souches hématopoïétiques demeurant à un état quiescent ainsi qu’une diminution des niveaux du stress oxydatif en leur sein. En outre, la transformation maligne des cellules déficientes en VDR a abouti à une différenciation myéloïde limitée, à l'augmentation du nombre de progéniteurs hématopoïétiques précoces et ces cellules présentaient un potentiel d'auto-renouvellement accru et étaient résistantes aux inhibiteurs de la méthyltransférase et à la chimiothérapie. Enfin, l'induction de l'expression du VDR dans les modèles de LAM par un traitement combinant des agents de déméthylation et les agonistes de VDR a permis de diminuer la séminalité, de promouvoir la différenciation cellulaire, de bloquer la croissance tumorale et de restaurer la sensibilité à la chimiothérapie. Par conséquent, nous proposons que le VDR est un gène maître contrôlant la séminalité et la prolifération / différenciation cellulaire des cellules souches hématopoïétiques normales et leucémiques. Ainsi, la combinaison d'agents déméthylants et d’agonistes de VDR pourrait à l’avenir être proposée en thérapeutique pour traiter les LAM. / Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous group of malignancies representing approximately 70% of acute leukemias. There is a proliferation of immature cells belonging to the myeloid lineage commonly called myeloblasts or blasts. Current treatments are mainly based on antimitotic chemotherapy. Iron homeostasis is a target for the treatment of AML blasts inducing cell differentiation. The mechanism involves the modulation of ROS. Their action is synergistic with that of Vitamin D (VD) through the activation of MAPK. This association has been used successfully in several patients for a doubling of life expectancy. Then, we show that Vitamin D receptor (VDR) expression was impaired in undifferentiated/immature AML subtypes and that decreased expression of VDR and VDR-targeted genes was correlated with a negative prognosis of patients. Molecular mechanism resulting in the blockade of VDR expression involved VDR promoter methylation. VDR-deficient mice showed an expansion of the hematopoietic stem cell compartment which presented an improved quiescent status and decreased ROS levels that have been shown to be involved in both AML differentiation and stem cells longevity. Moreover, malignant transformation of VDR-deficient cells resulted in limited myeloid differentiation, increased numbers of early hematopoietic progenitors and those cells presented an enhanced self-renewal potential and were resistant to DNA methyltransferase inhibitors and to chemotherapy. Finally, induction of VDR expression in AML models by combined treatment of demethylating agents and VDR agonists decreased stemness, promoted cell differentiation, blocked tumor propagation and restored sensitivity to chemotherapy. Therefore, we propose that VDR is a master gene controlling stemness and proliferation/cell differentiation of normal hematopoietic stem cells and leukemic cells. Thus, combination of demethylation agents and VDR agonists may be used therapeutically to treat AML.

Une tumeur est composée de plusieurs sous populations cellulaires. L’une d’entre elles, celle des cellules souches tumorales, est à l’origine du développement des tumeurs. Une des propriétés majeures de ces cellules est la capacité d’entrer dans un état de quiescence. De ce fait, elles sont résistantes aux thérapies anticancéreuses conventionnelles qui visent les cellules cyclantes et peuvent ainsi persister pendant de nombreuses années. Ce phénomène est appelé dormance tumorale. L’activation de ces cellules souches tumorales quiescentes conduit à la récidive de la maladie. Le passage de l’état quiescent à l’état activé serait réversible, cependant les mécanismes responsables ne sont pas encore connus. Notre hypothèse est que les facteurs inflammatoires stimulent la transition des cellules de l’état quiescent à l’état activé. Dans ce but, nous avons étudié les effets de la principale cytokine pro-inflammatoire, le TNF, sur le compartiment des cellules souches de mélanome et leur activation. Pour cela, nous avons utilisé un système d’expression, inductible par la tétracycline, qui nous a permis d’identifier et d’étudier les cellules quiescentes H2B-GFP positives et cela dans les modèles in vitro des mélanosphères et des équivalents de peaux humaines reconstruites, afin de se rapprocher de l’organisation tumorale in vivo. Grâce à des tests fonctionnels, comme la formation de mélanosphères et de colonies, et diverses techniques telles que la cytométrie en flux, la microscopie à fluorescence et l’analyse de l’expression de gènes au niveau protéique, nous avons mis en évidence que les cellules H2B-GFP positives (« label retaining cells ») au sein des mélanosphères montrent un enrichissement en marqueurs de cellules souches du mélanome (ABCB5, VEGFR). De plus, nous avons montré que le TNF agit sur le compartiment des cellules souches. En effet, un traitement au TNF augmente le pourcentage de cellules exprimant des marqueurs de cellules souches de mélanome, inhibe la différenciation des cellules de mélanome (inhibition de l’expression de Melan-A dans les mélanosphères et diminution de la pigmentation des équivalents de peau), active les cellules souches quiescentes et induit des effets qui perdurent après le retrait du TNF. Notre étude a montré que ces effets seraient causés par une activation des voies PI3K/Akt et NFκB par le TNF. Un grand nombre de données suggérant qu’une sous-population de cellules cancéreuses est capable d’entrer en quiescence en réponse à une thérapie anticancéreuse, nous avons également étudié les effets de la première thérapie ciblée du mélanome : le vemurafenib, sur le compartiment des cellules souches. Nos résultats ont montré que le vemurafenib augmente le compartiment des cellules souches de mélanome (augmentation du nombre de mélanosphères formées et du pourcentage de cellules exprimant un marqueur de cellules souches de mélanome : ABCB5) et induit leur quiescence (augmentation du pourcentage de cellules H2B-GFP+ et en phase GO du cycle cellulaire). Nous avons également montré que le vemurafenib stimule l’activation de protéines régulant la quiescence des cellules souches.Nous espérons que nos recherches apporteront de nouvelles connaissances sur les mécanismes qui contrôlent l’activation des cellules souches cancéreuses quiescentes et offrir de nouvelles perspectives pour le traitement du cancer. / Accumulating data suggest that both cancer development and recurrence depend on the ability of resistant tumor cells to adopt a quiescent or dormant phenotype following treatment. These dormant cells reside in various tissues of patients in complete remission without any clinical manifestation until they reactivate and cause tumor recurrence. Mechanisms that control the activation of quiescent tumor cells remain poorly understood, however, the tumor microenvironment, cellular interactions and various diffusible factors appear essential. Herein, our goal is to decipher whether a major pro-inflammatory cytokine, Tumor Necrosis Factor (TNF) contributes to the quiescence/activation phenotypic switch in melanoma. For this purpose, we used a 3D melanosphere and the in vivo-like skin equivalent models in which to reconstitute the in vivo-relevant cellular heterogeneity and tumor organization and an inducible histone 2B coupled to the GFP (H2B-GFP) expression system to identify the quiescent cell compartment and to monitor the TNF-induced changes. Our results suggest that TNF increases the proportion of H2B-GFP-positive, label retaining cells (LRC) in melanospheres. The LRCs were enriched in melanoma stem cell markers, ABCB5 and VEGFR and this was upregulated by TNF. Furthermore, TNF increases the number of melanospheres, and in skin equivalents, the presence of TNF seems to inhibit the differentiation of melanoma cells and increase the stem cell compartment. This effect appears to be governed by the activation of the PI3K / Akt pathway. In conclusion, these data show that inflammatory environment induced by TNF, activates melanoma quiescent stem cells and increases the compartment of stem cells in skin equivalents by preventing their differentiation. Therefore, the control of inflammation and signaling pathways involved in the maintenance of tumor dormancy during the treatment of the original tumor would be a good therapeutic strategy in the fight against cancer recurrences.A lot of data suggest that a cancer cell subpopulation is able to enter quiescence in response to cancer therapy, therefore we have also studied the effects of the first targeted therapy of melanoma: vemurafenib, on the stem cell compartment. Our results show that vemurafenib increases the number of melanospheres and the percentage of ABCB5+ cells. So vemurafenib increases the melanoma stem cell compartment. Vemurafenib increases also the percentage of H2B-GFP + cells and the percentage of cells in the GO phase of the cell cycle, so induces quiescence of melanoma cells. We also showed that vemurafenib stimulates activation of proteins regulating quiescence of stem cells.We hope that our research will provide new knowledge about the mechanisms that control the activation of quiescent cancer stem cells and provide new perspectives for the treatment of cancer.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2005. / Bibliogr.: f. 75-90. Publié aussi en version électronique.

L'épiderme humain est un tissu en renouvellement constant où l'équilibre entre les cellules nouvellement formées et les cellules perdues par desquamation est maintenu par la division asymétrique des cellules souches produisant deux cellules filles différentes : l'une possédant la capacité de s'auto-renouveler et l'autre engagée dans la différenciation en plusieurs lignées cellulaires reconstituant l'épiderme et ses appendices. De récentes découvertes suggèrent que les cellules souches altérées, appelées cellules initiatrices de tumeur ou cellules souches cancéreuses, seraient à l'origine du développement tumoral. Par conséquent, l'éradication ciblée de ces cellules pourrait traiter les cancers. Nos études avaient pour but d'identifier et de caractériser les cellules souches cancéreuses dans des tumeurs de peau et d'évaluer l'implication de la voie de signalisation de l'Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) dans le contrôle de leur auto-renouvellement et leur potentiel de différenciation. Nous avons trouvé de rare kératinocytes mitotiques avec une distribution asymétrique de l'EGFR et nous avons déterminé que sa présence à la surface était liée au destin normal ou cancéreux des cellules. Bien qu'essentiel pour la prolifération, la différenciation et la survie des cellules épithéliales, EGFR n'était pas présent à la surface des cellules aux propriétés de cellules souches comme la quiescence, leur compétence à produire des cellules filles fonctionnellement différentes, leurs potentiels de prolifération et de clonogénicité élevés, leur capacité à former des sphères et l'expression de marqueurs de cellules souches. Au contraire, les kératinocytes exposant l'EGFR ont acquis un phénotype plus différencié, démontrant que l'EGFR contrôle un basculement du compartiment de cellules souches à celui de cellules d'amplification transitoire. Ce basculement était associé avec des changements dans le profil d'expression de protéines du cycle cellulaire ou contrôlant la survie et la mitochondrie qui variaient entre les cellules normales et cancéreuses. A partir de nos résultats, nous proposons un modèle dans lequel EGFR fonctionne comme un déterminant du destin des kératinocytes qui équilibre entre la quiescence et la prolifération/différenciation des cellules souches épidermiques durant la mitose. Cet équilibre semble clairement mal fonctionner dans le cancer. Nous avons précédemment montré que la différenciation des kératinocytes partage certains aspects de la signalisation apoptotique et est stimulée par les ROS, nous proposons donc que l'acquisition de l'EGFR à la surface cellulaire active la prolifération cellulaire et par conséquent, la production des ROS. De façon importante, notre étude suggère fortement que les cellules EGFR négatives peuvent constituer le compartiment reproductif de la tumeur responsable du maintien et du développement tumoral, donc fournir un aperçu mécanistique de l'inefficacité des thérapies actuelles anti-EGFR.

Au cours de ce travail, nous avons cherché de préciser le rôle de cette famille de facteur de croissance dans le choix dun destin cellulaire au cours du développement, tout en gardant à lesprit leur éventuel potentiel dans le cadre dune thérapie cellulaire chez ladulte. Nous avons donc tenté de répondre aux questions suivantes : 1) est-il possible dinfluencer le choix dun destin cellulaire particulier dans les cellules souches nerveuses sous leffet des Neurégulines ; 2) si oui, quel(s) serait (seraient) le(s) mécanisme(s) moléculaire(s) éventuellement recrutable ou applicable en terme de régénération. Le chapitre II est consacré à létude des Neurégulines-1 et leurs effets sur la prolifération et la différenciation des cellules souches nerveuses in vitro. Dans ce chapitre, nous décrivons un mécanisme moléculaire original responsable de la modulation de la différenciation par les Neurégulines-1 et qui établit un line direct entre les influences intrinsèques et extrinsèques telles que nous les avons rappelées en préambule du point 2 de cette introduction (Edlund and Jessell, 1999). La plupart des résultats de ce chapitre font lobjet dun article actuellement sous presse (appendice 2). Dans le chapitre III, nous décrivons les résultats préliminaires obtenus dans létude du rôle du rôle de Nrg-2 dans ces mécanismes. Cest sur la base de la similitude structurelle et topologique des isoformes codées par les deux gènes que nous avons entrepris cette dernière partie de notre travail.

En étudiant des modèles de cellules souches, nous avons montré que l'induction des oscillations dans des myocytes ventriculaires normaux inexcitables n'est pas possible en les connectant à des cellules souches. Jusqu'à aujourdhui, cette induction n'a jamais été démontrée même sous de bonnes conditions. Les résultats référencés [5],[4] ne font apparaître qu'une augmentation de la fréquence d'oscillation (soit dans les cellules en culture, soit dans le coeur).<br />Les oscillations ne deviennent possibles que pour les myocytes qui ont un seuil d'excitation des oscillations induites bien plus bas que la normale. Seules les méthodes qui diminuent le niveau d'expression de courant IK1 donnent des résultats. <br />Il existe une autre approche, qui consiste à ne pas connecter directement les cellules souches à des myocytes, mais à d'autres types de cellules cardiaques avec un seuil d'excitation très bas. De cette façon, des oscillations sont induites sans avoir à modifier le courant IK1 . Ces cellules transitoires pourront être des cellules AV node, de Purkinje ou des cellules voisinant SA node.<br />Pour amener un tissus cardiac à oscillation, les pacemakers artificiels de petite taille exigent des courants d'une magnitude bien plus élevée que dans les expériences menées avec des paires de cellules ou des cultures. Pour éviter ce problème, la taille des pacemakers artificiels doit être plus grande que la constante électrotonique ?<br />Pour le courantpacemaker, la plupart des expérimentateurs ont l'habitude de ne mesurer que l'inactivation. Cette seule mesure ne suffit pas pour étudier les oscillations. Les définitions incluant à la fois inactivation et activation du courant pacemaker doivent prévaloir contrairement à la tradition dans le domaine.

Dissertation--Leiden--Universität, 2005. / Résumé en néerlandais. Bibliogr. p. 145-146.

Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé. Toxicologie : Paris 12 : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.