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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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L’hypertension artérielle et l’obésité sont deux composantes conjointement reliées du syndrome métabolique. Les récepteurs de l’ANP (GCA) et de l’oxyde nitrique (GCs) ont des propriétés diurétiques, natriurétiques, vasodilatatrices et sont liés au contrôle de la pression. Des études récentes ont démontré leur implication dans l’obésité. Hypothèse : Une différence génétique au niveau du gène GCA pourrait contribuer à des différences physiologiques. La composante lipidique et/ou sodique de la diète pourrait influencer la fonction rénale, cardiaque et les valeurs anthropométriques différemment chez les souches congéniques. Objectifs : (1) Déterminer l’effet de la composante lipidique et sodique des diètes; (2) Évaluer l’influence de GCA sur la réponse physiologique des souches congéniques; (3) Expliquer les mécanismes physiologiques procurant une réduction de la pression artérielle chez la souche SM9. Méthodologie : Des modèles congéniques du rat Dahl (DSS) hypertendu, nourri avec une diète riche en gras (HF) ou normale (NF), ont été utilisés pour démontrer l’impact d’un segment chromosomique d’origine normotendue. Résultats : La souche SM9 a une prise de poids plus importante que SM12 et DSS sur diète HF malgré un apport alimentaire équivalent. La souche SM9 présente également un ratio masse adipeuse/masse maigre plus élevé que SM12 et DSS. Nous n’avons observé aucune augmentation de la pression artérielle en réponse à la diète HF pour les 3 souches malgré une augmentation du dommage rénal pour les 3 souches. Le dommage rénal est plus important chez DSS que pour les 2 congéniques. La réponse diurétique à l’ANP est plus élevée chez SM9 et est influencée par le contenu en sel dand la diète. La perte glomérulaire plus importante chez le rat DSS semble compensée par une augmentation de la réponse à l’ANP par les glomérules résiduels. Il y a une corrélation entre l’activité de GCA en réponse à l’ANP, les niveaux d’ARNm et le nombre de répétition du dinucléotide TA dans son promoteur. Le rat DSS présente une hypertrophie cardiaque plus importante que les deux souches congénique et ceci n’est pas modifié par la diète HF. Conclusion : Nos études ont permis de mettre en évidence un effet génétique impliquant le segment chromosomique normotendu contenant GCA dans la réponse à une diète HF chez le rat DSS. / Hypertension and obesity are two related components of the metabolic syndrome. The ANP receptor (GCA) and nitric oxide receptor (sGC) have diuretic, natriuretic, vasodilatory properties, and are linked to blood pressure control. Furthermore a recent study has demonstrated the implication of GCA and sGC in the development of obesity. Hypothesis: A genetic difference in GCA gene could contribute to physiological differences. The differencial lipid and/or sodium composition of the diet could influence the renal, cardiac and anthropometric values. Objectives: (1) To determine the effect of fat and sodium on the physiological parameters; (2) To evaluate the influence of GCA on the physiological response of the congenic rat; (3) To explain the mechanisms of the blood pressure reduction in SM9 rats. Methodology: Congenic model of DSS rat, fed with either high fat (HF) or normal (NF) diet, were used to demonstrate the impact of a chromosome segment from normotensive origin on physiological functions. C2SM9 contains GCA and sGC from normotensive origin while C2SM12 harbours only sGC from normotensive origin. Results: HF diet had negative feature on body composition, renal damage, creatinine clearance and inhibited the diuretic/natriuretic effect of ANP. The normotensive segment including GCA and sGC has reduced the blood pressure, improve the renal damage and increased the diuretic/natriuretic capacity of SM9 in response to ANP injection when compared to SM12 and DSS. GCA mRNA and the clearance receptor ratio were reduced in SM9 in the renal cortex and retroperitoneal fat. SM12 and SM9, containing the chromosomal segment that includes sGC, improve their lipid profile compared with DSS. Conclusion: Our results suggested a compensatory increase in the GCA levels for SM12 and DSS that is insufficient to improve their pathophysiologic status as observed in SM9. HF diet increases the metabolic syndrome in those rats.

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L’hypertension artérielle et l’obésité sont deux composantes conjointement reliées du syndrome métabolique. Les récepteurs de l’ANP (GCA) et de l’oxyde nitrique (GCs) ont des propriétés diurétiques, natriurétiques, vasodilatatrices et sont liés au contrôle de la pression. Des études récentes ont démontré leur implication dans l’obésité. Hypothèse : Une différence génétique au niveau du gène GCA pourrait contribuer à des différences physiologiques. La composante lipidique et/ou sodique de la diète pourrait influencer la fonction rénale, cardiaque et les valeurs anthropométriques différemment chez les souches congéniques. Objectifs : (1) Déterminer l’effet de la composante lipidique et sodique des diètes; (2) Évaluer l’influence de GCA sur la réponse physiologique des souches congéniques; (3) Expliquer les mécanismes physiologiques procurant une réduction de la pression artérielle chez la souche SM9. Méthodologie : Des modèles congéniques du rat Dahl (DSS) hypertendu, nourri avec une diète riche en gras (HF) ou normale (NF), ont été utilisés pour démontrer l’impact d’un segment chromosomique d’origine normotendue. Résultats : La souche SM9 a une prise de poids plus importante que SM12 et DSS sur diète HF malgré un apport alimentaire équivalent. La souche SM9 présente également un ratio masse adipeuse/masse maigre plus élevé que SM12 et DSS. Nous n’avons observé aucune augmentation de la pression artérielle en réponse à la diète HF pour les 3 souches malgré une augmentation du dommage rénal pour les 3 souches. Le dommage rénal est plus important chez DSS que pour les 2 congéniques. La réponse diurétique à l’ANP est plus élevée chez SM9 et est influencée par le contenu en sel dand la diète. La perte glomérulaire plus importante chez le rat DSS semble compensée par une augmentation de la réponse à l’ANP par les glomérules résiduels. Il y a une corrélation entre l’activité de GCA en réponse à l’ANP, les niveaux d’ARNm et le nombre de répétition du dinucléotide TA dans son promoteur. Le rat DSS présente une hypertrophie cardiaque plus importante que les deux souches congénique et ceci n’est pas modifié par la diète HF. Conclusion : Nos études ont permis de mettre en évidence un effet génétique impliquant le segment chromosomique normotendu contenant GCA dans la réponse à une diète HF chez le rat DSS. / Hypertension and obesity are two related components of the metabolic syndrome. The ANP receptor (GCA) and nitric oxide receptor (sGC) have diuretic, natriuretic, vasodilatory properties, and are linked to blood pressure control. Furthermore a recent study has demonstrated the implication of GCA and sGC in the development of obesity. Hypothesis: A genetic difference in GCA gene could contribute to physiological differences. The differencial lipid and/or sodium composition of the diet could influence the renal, cardiac and anthropometric values. Objectives: (1) To determine the effect of fat and sodium on the physiological parameters; (2) To evaluate the influence of GCA on the physiological response of the congenic rat; (3) To explain the mechanisms of the blood pressure reduction in SM9 rats. Methodology: Congenic model of DSS rat, fed with either high fat (HF) or normal (NF) diet, were used to demonstrate the impact of a chromosome segment from normotensive origin on physiological functions. C2SM9 contains GCA and sGC from normotensive origin while C2SM12 harbours only sGC from normotensive origin. Results: HF diet had negative feature on body composition, renal damage, creatinine clearance and inhibited the diuretic/natriuretic effect of ANP. The normotensive segment including GCA and sGC has reduced the blood pressure, improve the renal damage and increased the diuretic/natriuretic capacity of SM9 in response to ANP injection when compared to SM12 and DSS. GCA mRNA and the clearance receptor ratio were reduced in SM9 in the renal cortex and retroperitoneal fat. SM12 and SM9, containing the chromosomal segment that includes sGC, improve their lipid profile compared with DSS. Conclusion: Our results suggested a compensatory increase in the GCA levels for SM12 and DSS that is insufficient to improve their pathophysiologic status as observed in SM9. HF diet increases the metabolic syndrome in those rats.

L’autorenouvellement est une propriété fondatrice du concept de cellule souche. Cependant, malgré l’avancée des connaissances actuelles, les mécanismes moléculaires sous-jacents restent mal compris. Nous nous sommes donc intéressés à cette question, en étudiant l’équilibre entre autorenouvellement et différenciation dans des progéniteurs érythrocytaires primaires. D’une part, grâce à une étude combinant des approches pharmacologiques et de génétique fonctionnelle, nos résultats montrent que le contrôle de la synthèse cellulaire du cholestérol joue un rôle essentiel dans la régulation du basculement de l’autorenouvellement vers la différenciation. D’autre part, nous avons étudié la nature stochastique de l’expression génique au cours du passage de l’autorenouvellement vers la différenciation. En effet, contrairement au caractère déterministe initialement attribué à l’expression des gènes, les données accumulées au cours des dernières années démontrent que cette expression repose sur des processus stochastiques. Nous avons en particulier oeuvré à la conception et à la mise en place d’un dispositif permettant de suivre en temps réel l’expression génique dans des cellules individualisées, afin de pouvoir mesurer et évaluer cette stochasticité. Au final, l’ensemble de ces travaux participent à la compréhension des bases moléculaires de l’autorenouvellement et du contrôle des choix du devenir cellulaire. / Self-renewal is a key property of the stem cell concept. However, despite the recent advances in this field, the underlying molecular bases are not yet properly understood. We tackled this question by studying the balance between self-renewal and differentiation, in primary erythroid progenitors. Our work is twofold. First, by combining pharmacologic approaches and functional genetics, we have shown that the control of cellular cholesterol synthesis plays a central role in the regulation between self-renewal and differentiation. Second, we have studied the stochastic nature of gene expression along the transition from self-renewal to differentiation. Indeed, while gene expression was initially deemed to be deterministic, more and more data tend to show that it relies on stochastic processes. In particular, we participated to the design of an experimental method allowing to mesure gene expression in a single cell, in real-time. All in all, the work presented here brings new elements towards the understanding of molecular bases controlling self-renewal and cell fate choices.

Le récepteur aux cannabinoïdes de type 1 (CB1) est un récepteur couplé aux protéines G, abondamment exprimé dans le cerveau et régulant plusieurs processus physiologiques. Cependant, les mécanismes cellulaires par lesquels les CB1 régulent ces processus n’ont été que peu analysés. Bien que les CB1 localisés dans les membranes plasmiques sont connus pour induire la transduction de signal; une partie de ces récepteurs sont aussi fonctionnels au niveau des mitochondries (mtCB1), où leur stimulation réduit la respiration mitochondriale. L’objectif de cette thèse fut d’évaluer l’impact de l’activation des récepteurs mtCB1 du cerveau sur les effets connus des cannabinoïdes. Afin de distinguer la fonction des mtCB1 de celle des autres populations de récepteurs, nous avons développé des outils basés sur la signalisation induite par les mtCB1. Dans les mitochondries isolées de cerveau, l’activation des protéines Gαi/o, dépendante des mtCB1 diminue l’activité de l’adénylyl cyclase soluble (sAC). L'inhibition locale de l’activité de sAC prévient l’amnésie, la catalepsie et partiellement l’hypolocomotion induite par les cannabinoïdes. De plus, nous avons généré une protéine fonctionnelle mutante CB1 (DN22-CB1) dépourvue des 22 premiers acides aminés des CB1 ainsi que de sa localisation mitochondriale. Contrairement aux CB1, l'activation des DN22-CB1 n’affecte pas l'activité mitochondriale. Enfin, l’expression des DN22-CB1 dans l’hippocampe bloque à la fois la diminution de la transmission synaptique et l’amnésie induites par les cannabinoïdes. Ces travaux démontrent l’implication des mtCB1 dans certains effets des cannabinoïdes et le rôle clé des processus bioénergétiques contrôlant les fonctions cérébrales. / Type-1 cannabinoid receptor CB1 is a G protein-coupled receptor (GPCR), widely expressed in the brain, which regulates numerous physiological processes. However, the cellular mechanisms of CB1-mediated control of these functions are poorly understood. Although CB1 are known to signal at the plasma membrane, a portion of these receptors are also present in mitochondria (mtCB1), where mtCB1 activation decreases mitochondrial activity. The goal of this thesis was to dissect the impact of brain mtCB1 signaling in known behavioral effects induced by cannabinoids. To distinguish the functions of mtCB1 from other receptor pools, we developed tools based on the characterization of the intra-mitochondrial molecular cascade induced by mtCB1 receptors. In isolated brain mitochondria, we found that intra-mitochondrial decrease of soluble-adenylyl cyclase (sAC) activity links mtCB1- dependent activation of Gαi/o proteins to decrease cellular respiration. Local brain inhibition of sAC activity blocks cannabinoid-induced amnesia, catalepsy and contributes to the hypolocomotor effect of cannabinoids. In addition, we generated a functional mutant CB1 protein (DN22-CB1) lacking the first 22 amino acid of CB1 and its mitochondrial localization. Differently from CB1, activation of DN22-CB1 does not affect mitochondrial activity. Hippocampal in vivo expression of DN22-CB1 abolished both cannabinoid-induced impairment of synaptic transmission and amnesia in mice. Together, these studies couple mitochondrial activity to behavioral performances. The involvement of mtCB1 in the effects of cannabinoids on memory and motor control highlights the key role of bioenergetic processes as regulators of brain functions.

La douleur chronique est une maladie fréquente et grave qui, pour de nombreuses personnes, ne peut pas être entièrement traitée avec les choix thérapeutiques actuels. Des agonistes des récepteurs opioïdes delta (DORs) ont été proposés comme interventions thérapeutiques pour ces maladies. Des recherches précliniques ont montré que l'activation des DOR produit des effets anti-hyperalgiques et antidépresseurs avec moins d'effets secondaires associés aux analgésiques opioïdes disponibles sur le plan clinique. Cependant, de nombreux agonistes DOR induisent une tolérance analgésique, entravant ainsi leur développement en tant que médicaments. Les travaux de cette thèse visent à mieux comprendre les causes cellulaires et moléculaires de la tolérance ainsi que ce qui rend certains agonistes plus résistants à la tolérance que d'autres. Dans le premier projet, nous nous sommes concentrés sur la superactivation de l'adénylyl cyclase induite par un ligand, un modèle de réponse adaptative médiée par les isoformes de l'adénylyl cyclase (AC). La superactivation de l'adénylyl cyclase (SA) a été associée à l’hyperalgésie, la tolérance analgésique et à des symptômes de sevrage. Ainsi, nous étions curieux de voir si les profils de signalisation cellulaire créés pour la découverte de médicaments pouvaient nous fournir des informations sur la capacité d'un ligand à induire la SA. Pour répondre à cette question, nous avons généré des profils de signalisation complets pour six agonistes différents du DORs (Met-enképhaline, deltorphine II, DPDPE, SNC-80, ARM390 et TIPP) tout en surveillant 12 différents résultats de signalisation avec des biocapteurs à base de BRET. L'analyse des profils de signalisation a montré une sélectivité fonctionnelle remarquable parmi les ligands étudiés. Ensuite, nous avons pu classer les agonistes DOR en fonction de la similarité de leurs profils en utilisant l'approche que nous avons adaptée de notre laboratoire. Nous avons par la suite démontré que, à l'exception de TIPP, dont la réponse SA était Ca2+-indépendante, les catégories de médicaments résultant du regroupement sont corrélées avec la capacité du ligand à provoquer une SA. Une investigation plus approfondie des mécanismes a révélé que Gαi/o était essentiel tant pour la SA déclenchée par TIPP que par Met-Enkepkaline, mais les mécanismes en aval étaient assez distincts pour ces ligands. Ensemble, nos résultats indiquent que les mécanismes sous-jacents à la tolérance cellulaire induite par les agonistes DOR sont spécifiques au ligand. Dans le deuxième projet, nous nous sommes principalement intéressés aux mécanismes de tolérance aux agonistes DOR qui peuvent être en partie expliqués par la désensibilisation et la régulation négative des récepteurs. Il a été établi que, les ligands qui induisent le recyclage du récepteur après l'internalisation ont été trouvés pour fournir une analgésie de longue durée. Par conséquent, les expériences menées dans cette étude ont été menées pour révéler davantage les déterminants moléculaires sous-jacents au recyclage du récepteur et sur la manière dont l'interaction agoniste-récepteur pourrait produire des modèles distincts de régulation des récepteurs. Nous avons évalué l'activation de l'agoniste et la désensibilisation du signal DOR-Gαi1. Nos données ont rapporté que le DPDPE était pratiquement sans effet sur la désensibilisation de l'activation de Gαi1, tandis que la désensibilisation par la deltorphine II était plus importante que celle induite par le DPDPE mais moins que celle induite par l'ARM390 et le SNC-80. Ensuite, nous avons établi que les DORs stimulés par le DPDPE se recyclaient de manière plus efficace que ceux activés par la deltorphine II. De plus, nous fournissons des preuves phénoménologiques que des interventions similaires ont des effets distincts sur le recyclage évoqué par chaque ligand. En particulier, la truncation du DOR ou la surexpression de βarr2 avaient des effets différentiels sur le recyclage par le DPDPE et la deltorphine II. Il est admis que les mécanismes sous-jacents à ces différences restent à être pleinement décrits, mais la phénoménologie de nos observations soutient l'idée que le DPDPE et la deltorphine II mettent en œuvre des processus de recyclage distincts. / Chronic pain is a common and severe disease that, for many people, cannot be fully treated with current therapeutic choices. Agonists of the delta opioid receptor (DOR) have been proposed as therapeutic interventions for this illness. Preclinical research has shown that DORs produce antihyperalgesic and antidepressant-like effects with fewer side effects than the ones associated with clinically available opioid analgesics. However, numerous DOR agonists induce analgesic tolerance, hampering their development as medications. Thus, further investigations are needed to understand the mechanisms underlying the tolerance associated with chronic opioid use. This thesis aimed to further understand the cellular and molecular mechanisms that causes tolerance as well as what makes some agonists more resistant to tolerance than others. In the first project, we focused on ligand-induced cyclase superactivation (SA), a pattern of adaptive response mediated by adenylyl cyclase (AC) isoforms. Cyclase SA has been associated with hyperalgesia, analgesic tolerance, and withdrawal symptoms. Therefore, we were curious to assess weather cell-based signalling profiles created for drug discovery could provide us with information on the ability of a ligand to induce cyclase SA. To address this question, we generated comprehensive signalling profiles for six different DOR agonists (Met-enkephalin, deltorphin II, DPDPE, SNC-80 and ARM390) while monitoring 12 different signalling outcomes with BRET-based biosensors. Analysis of the signalling profiles showed remarkable functional selectivity among the investigated ligands. Next, we were able to classify DOR agonists based on the similarity of their profiles using the approach we adapted from our lab. We subsequently demonstrated that except for TIPP, whose SA response was Ca2+-independent, the drug categories resulting from clustering are correlated with ligand capacity to cause SA. Further investigation of the mechanisms revealed that Gαi/o was essential for both TIPP and Met-Enkepkalin-driven cyclase SA. However, downstream mechanisms were quite distinct for these two ligands. Altogether, our findings indicate that mechanisms underlying cellular tolerance induced by DOR agonists are ligand-specific. In the second project, we were primarily concerned with the mechanisms of tolerance to DOR agonists that may be, in part, explained the receptor desensitization and downregulation. Obviously, ligands that induce receptor recycling after internalization have been found to provide long-lasting analgesia. Therefore, the objectives of the experiments in this project were to assess the molecular determinants affecting receptor recycling and how agonist-receptor interaction can result in different patterns of receptor regulation. We assessed agonist inducing activation and desensitization of DOR-Gαi1 signal. Our data showed that DPDPE was efficient in activating the receptor without noticeable desensitization effect. On the other hand, deltorphin II exerted a significant desensitization effect. However, this effect was low when compared to ARM390 and SNC-80. Then, we established that DORs stimulated by DPDPE recycle more efficiently than those activated by deltorphin II. We also provided phenomenological evidence on receptor recycling elicited by each ligand. In particular, DOR truncation or the overexpression of βarr2 had differential effects on receptor recycling by DPDPE and deltorphin II. While our data shed light on the mechanism underlying these differences, further investigation is needed for the mechanism to be fully elucidated. Admittedly, our observations support the notion that DPDPE and deltorphin II engage distinct recycling processes.