Les cellules souches pluripotentes sont capables de donner naissance à tous les types cellulaires constituant un organisme, ce qui leur confère un fort intérêt thérapeutique. A partir de l’embryon de souris on peut en dériver deux types : les cellules souches embryonnaires (ES) au stade blastocyste et les cellules souches d’épiblaste (EpiSC) au stade œuf cylindre. Ces deux types de cellules partagent leurs propriétés pluripotentes mais se distinguent par de nombreux aspects comme leurs conditions de culture et les gènes qu’elles expriment. Nous avons montré que la reprogrammation par clonage par transfert de noyau permet d’obtenir des EpiSC présentant un méthylome et un transcriptome similaires à ceux des EpiSC issues d’embryons après fécondation. Nous avons également caractérisé le profil de méthylation de l’ADN des EpiSC, et montré une tendance à l’hyperméthylation des promoteurs des EpiSC par-rapport aux cellules ES et à l’épiblaste. De plus, l’absence de méthylation empêche la conversion des cellules ES en EpiSC. Les EpiSC semblent donc dépendre fortement de la méthylation de l’ADN pour réguler l’expression de leurs gènes, ce qui les distingue des cellules ES. / Pluripotent stem cells are of great therapeutic interest because of their capability to give rise to all the cells composing an organism. We can derive two types of these stem cells from the mouse embryo: embryonic stem cells (ESCs) from the blastocyst and epiblast stem cells (EpiSCs) from the egg cylinder stage. These two cell types share their pluripotent properties but are distinct on several features, like their culture conditions and gene expression. We showed that reprogramming using cloning by nuclear transfer allows the obtention of EpiSCs with a methylome and a transcriptome similar to those of EpiSCs derived from embryo after fertilisation. We also characterised the DNA methylation pattern of EpiSCs and showed their tendency to present a hypermethylation at their promoters compared to ESCs and epiblast. We also observed that the absence of DNA methylation blocks the conversion of ESCs into EpiSCs. As a conclusion, it seems that EpiSCs are strongly dependant of DNA methylation to regulate gene expression, which distinguishes them from ESCs.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les eIF2B-pathies représentent un groupe de leucodystrophies de transmission autosomique récessive du à des mutations du facteur ubiquitaire eIF2B. Celui-ci intervient dans l'initiation de la traduction et ses régulations, particulièrement en cas de stress cellulaires, grâce à son activité d'échange de guanine (GEF). Un large spectre clinique et mutationnel a été décrit pour cette pathologie.La diminution de l'activité GEF a pu être validée comme marqueur diagnostique spécifique des eIF2B-pathies dans les lymphoblastes de patients atteints avec un seuil d'activité à 77,5% pour une spécificité de 100% et une sensibilité de 89%.La compréhension des mécanismes moléculaires en cause a ensuite été recherchée selon trois approches :- une première focalisée sur l'étude de la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE) dans les lymphoblastes de patients eIF2B-mutés. L'hyper-activation transcriptionnelle et traductionnelle des gènes de la réponse au stress du RE, observée dans d'autres études et sur d'autres types cellulaires n'a pas été retrouvée dans cette étude.- une approche globale d'étude transcriptomique différentielle dans des fibroblastes primaires de patients eIF2B-mutés soumis ou non à un stress cellulaire. La comparaison du transcriptome avec celui de contrôles sains et de patients porteurs d'une autre leucodystrophie n'a pas permis de mettre en évidence un effet spécifique du stress dans les fibroblastes eIF2B-mutés. En revanche, il a pu être montré une dérégulation de l'expression de 70 gènes spécifiquement dans ces fibroblastes ainsi que l'implication de voies métaboliques telles que l'épissage et la stabilité des ARNm, importantes au cours du développement du système nerveux central. Ces gènes trouvés dérégulés dans les fibroblastes, appartenant notamment à la famille des hnRNP, ont été ensuite validés dans les cerveaux de patients eIF2B-mutés et une anomalie d'épissage de certains transcrits importants pour les cellules gliales a également été identifiée.- enfin, pour valider l'hypothèse d'une anomalie développementale des cellules gliales, le modèle des cellules souches embryonnaires (ESC) a été utilisé et un défaut génétique a été introduit dans ces cellules afin de mimer les mutations eIF2B. Une anomalie de différentiation de ces ESC en cellules gliales a pu être mise en évidence dans ce modèle qui pourrait alors constituer un outil de choix pour tester des molécules pouvant potentiellement améliorer la différenciation de ces cellules, principales en cause dans cette pathologie.

Les eIF2B-pathies représentent un groupe de leucodystrophies de transmission autosomique récessive du à des mutations du facteur ubiquitaire eIF2B. Celui-ci intervient dans l’initiation de la traduction et ses régulations, particulièrement en cas de stress cellulaires, grâce à son activité d’échange de guanine (GEF). Un large spectre clinique et mutationnel a été décrit pour cette pathologie.La diminution de l’activité GEF a pu être validée comme marqueur diagnostique spécifique des eIF2B-pathies dans les lymphoblastes de patients atteints avec un seuil d’activité à 77,5% pour une spécificité de 100% et une sensibilité de 89%.La compréhension des mécanismes moléculaires en cause a ensuite été recherchée selon trois approches :- une première focalisée sur l’étude de la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE) dans les lymphoblastes de patients eIF2B-mutés. L’hyper-activation transcriptionnelle et traductionnelle des gènes de la réponse au stress du RE, observée dans d’autres études et sur d’autres types cellulaires n’a pas été retrouvée dans cette étude.- une approche globale d’étude transcriptomique différentielle dans des fibroblastes primaires de patients eIF2B-mutés soumis ou non à un stress cellulaire. La comparaison du transcriptome avec celui de contrôles sains et de patients porteurs d’une autre leucodystrophie n’a pas permis de mettre en évidence un effet spécifique du stress dans les fibroblastes eIF2B-mutés. En revanche, il a pu être montré une dérégulation de l’expression de 70 gènes spécifiquement dans ces fibroblastes ainsi que l’implication de voies métaboliques telles que l’épissage et la stabilité des ARNm, importantes au cours du développement du système nerveux central. Ces gènes trouvés dérégulés dans les fibroblastes, appartenant notamment à la famille des hnRNP, ont été ensuite validés dans les cerveaux de patients eIF2B-mutés et une anomalie d’épissage de certains transcrits importants pour les cellules gliales a également été identifiée.- enfin, pour valider l’hypothèse d’une anomalie développementale des cellules gliales, le modèle des cellules souches embryonnaires (ESC) a été utilisé et un défaut génétique a été introduit dans ces cellules afin de mimer les mutations eIF2B. Une anomalie de différentiation de ces ESC en cellules gliales a pu être mise en évidence dans ce modèle qui pourrait alors constituer un outil de choix pour tester des molécules pouvant potentiellement améliorer la différenciation de ces cellules, principales en cause dans cette pathologie. / EIF2B-related disorders are an autosomal recessive leukodystrophy caused by mutations in the ubiquitary eIF2B factor. This one is involved in the translation initiation step and its regulation, particularly upon cellular stresses, thanks to its guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity. A wide continuum clinical and mutational spectrum has been described for this pathology.The decrease of eIF2B GEF activity has been validated as an eIF2B-pathies specific biomarker in affected patients’ lymphoblasts with 100% specificity and 89% sensibility using a threshold at 77.5%.Functional molecular mechanisms involved in the physiopathology of eIF2B-related disorders have been searched by three approaches:- the first one focalized on the study of the endoplasmic reticulum stress response in lymphoblasts from eIF2B-mutated patients. The translational hyper-induction of specific genes involved in the unfolded protein response, identified in other cell types, was not observed in this study.- a global approach using a differential transcriptomic study of primary fibroblasts from eIF2B-mutated patients submitted or not to a cellular stress. The comparison with the transcriptomic profile of fibroblasts from healthy controls and patients presenting with other types of leukodystrophies not allowed us to identify a specific stress effect in eIF2B-mutated fibroblasts. On the other hand, it has been shown 70 genes specifically differentially deregulated in eIF2B-mutated fibroblasts as well as metabolic pathways implication, like splicing and mRNA stability, that are critical during the central nervous system development. We then validated that these genes, belonging the the hnRNP family, were also deregulated in brains from eIF2B-mutated patients and a splice abnormality of genes implicated in glial cells network has also been identified.- finally, in order to validate the hypothesis of an abnormal glial cell development, the embryonic stem cells (ESC) model has been used and a genetic default has been introduced in these cells to mimic eIF2B mutations. We identified an abnormal differentiation of these ESC into glial cells. Therefore, this model would provide a unique tool to search therapeutic agents that would improve glial cell differentiation, the major cells implicated in this pathology.

Une étape initiale fondamentale dans le développement des vertébrés est l'organisation des cellules de l'embryon en trois feuillets embryonnaires primordiaux: ectoderme, mésoderme et endoderme. Chez l'embryon de xénope, le développement de l'endoderme et l’induction du mésoderme est initié par le gène maternel VegT codant pour un facteur de transcription à boîte T dont l'ARNm est localisé au pôle végétatif de l'ovocyte. Actuellement, les facteurs et mécanismes impliqués dans la formation de l'ectoderme, qui reste pluripotent jusqu'à la gastrulation, sont mal connus.<p>Des travaux récents du laboratoire ont montré que le gène XSeb4R, codant pour une protéine de liaison à l'ARN à motif RRM, présente maternellement de manière ubiquitaire dans la blastula, interagit directement avec la région 3'UTR de l'ARNm VegT, stabilisant et stimulant sa traduction. La déplétion de XSEB4R inhibe la formation de l'endoderme et du mésoderme et sa surproduction produit l’effet inverse. Ces observations ont montré que XSeb4R joue un rôle essentiel via VegT dans la formation de l'endoderme et du mésoderme. <p>Dans cette étude, nous avons testé l’hypothèse selon laquelle XSeb4R jouerait également un rôle au pôle animal dans la spécification de l’ectoderme. Nos résultats montrent que la protéine XSEB4R lie les régions 3’UTR des transcrits Sox3, Zic2a et Zic2b. Nous avons observé que la surexpression de XSeb4R stabilise les transcrits maternels Sox3 et Zic2 a et b, et qu’elle active la traduction des transcrits Zic2b mais pas celle de Sox3 ou Zic2a. Enfin, nous avons montré que la perte de fonction de XSeb4R induit une expansion du mésoderme vers l’ectoderme dans l’embryon au stade blastula. Ces résultats démontrent que XSeb4R joue un rôle important dans la spécification de l’ectoderme chez l’embryon de xénope.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Congenital hypothyroidism (CH) is the most frequent of the rare endocrine diseases (e.g. Addison's disease, Cushing's syndrome, Congenital adrenal hyperplasia.), which affects 1:2000 – 4000 newborns. If not immediately diagnosed after birth, thyroid hormones deficiency causes severe defects in brain and skeletal development leading to a complex clinical scenario called cretinism. CH can be due to a defective synthesis of thyroid hormones (dyshormonogenesis) or an abnormal embryonic development of the gland. Data obtained using knockout mouse models have shown the pivotal role of four specific transcription factors (NKX2.1, PAX8, FOXE1 and HHEX) for the correct organogenesis or function of the gland. Although mutations in those genes have been identified in few cases of CH patients, the pathogenetic mechanisms remain still elusive in the vast majority of CH cases (95%).<p>For the identification of new genes and molecular events controlling thyroid organogenesis it would be useful to develop an in vitro cellular model to recapitulate thyroid embryogenesis in a dish. Embryonic Stem Cells (ESCs) have recently emerged as system model to recapitulate the embryogenesis of several tissues in vitro.<p>Induced overexpression of defined transcription factors has been shown to have a directing effect on the differentiation of pluripotent stem cells into specific cell types. In this thesis I show that a transient overexpression of the transcription factors NKX2.1 and PAX8 is sufficient to direct the differentiation of murine ESCs into thyroid follicular cells (TFC) and promotes in vitro self- assembly of TFC into three-dimensional follicular structures, when associated to a subsequent thyrotropin (TSH) treatment. Cells differentiated by this protocol showed significant iodide organification activity, a hallmark of thyroid tissue function. Importantly, athyroid mice grafted with mESC-derived thyroid follicles show normalization of plasma T4 levels with concomitant decrease of plasma TSH. In addition, a full normalization of body temperature at 4 weeks after transplantation was observed. Together, these data clearly demonstrate that grafting of our mESC-derived thyroid cells rescues the hypothyroid state and triggers symptomatic recovery along with the normalization of plasma hormone concentrations. The high efficiency of TFC differentiation and follicle morphogenesis in our system will provide an unprecedented opportunity for future studies to decipher regulatory mechanisms involved in embryonic thyroid development, a major research need towards an improved understanding of the molecular mechanisms underlying congenital hypothyroidism, the most common congenital endocrine disorder in humans. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le métabolisme des cellules souches embryonnaires est étroitement régulé par un équilibre entre<p>auto-renouvellement et différenciation. Ces cellules peuvent proliférer en culture de manière prolongée,<p>tout en restant indifférenciées, mais cela peut engendrer l’apparition d’anomalies karyotypiques, qui<p>accentuent la prolifération de ces cellules au détriment de leur potentiel de différenciation. Ce<p>phénomène d’adaptation à leurs conditions de culture et leurs caractéristiques communes avec les<p>cellules cancéreuses sont deux preuves majeures de la nature tumorigène de ces cellules souches.<p>Le but de ce travail a été d’élucider les voies de signalisation qui contrôlent le métabolisme des<p>cellules souches embryonnaires humaines, et plus particulièrement, leur différenciation. De plus, nous<p>avons souhaité étudier le caractère tumorigène de ces cellules et pour cela, nous avons travaillé en<p>comparant différentes lignées de cellules souches embryonnaires avec une lignée de carcinome<p>embryonnaire humain, leurs correspondantes cancéreuses. Nous avons choisi d’étudier la voie des<p>dérivés de l’inositol, dont la composante PI3K/AKT avait déjà été auparavant associée avec le<p>métabolisme des cellules souches embryonnaires murines, tout comme la composante des inositols<p>phosphates solubles qui avait été impliquée dans le contrôle de l’auto-renouvellement de ces cellules.<p>Nous avons tout d’abord étudié la distribution des inositols phosphates dans ces différents<p>modèles par HPLC et observé que leur profil différait entre les cellules souches embryonnaires normales<p>et cancéreuses, principalement au niveau de la quantité d’InsP5. L’analyse du profil des InsPs en cours de<p>différenciation spontanée a permis par la suite de mettre en évidence des modulations de ces différents<p>métabolites, avec notamment une diminution reproductible d’InsP5. Nous basant sur l’hypothèse que ces<p>modulations devaient se refléter au niveau de l’expression des enzymes régulant la production des<p>inositol phosphates, nous avons entamé une analyse par qPCR des kinases et phosphatases principales<p>impliquées dans cette voie. Nous avons effectivement pu mettre en évidence une augmentation<p>significative de deux isoformes de la triphosphate 3-kinase, ITPKB et ITPKA, en cours de différenciation<p>spontanée. Ces deux enzymes sont également davantage exprimées dans les cellules souches cancéreuses.<p>Ces augmentations d’expression ont ensuite pu être confirmées au niveau protéique pour ITPKB et au<p>niveau de leur activité enzymatique. Par ailleurs, au cours de ce travail, nous avons également mis au<p>point un modèle de différenciation dirigée de nos cellules souches embryonnaires vers des cellules<p>souches mésenchymateuses, que nous avons entièrement caractérisées et dont nous avons pu mettre en<p>évidence les propriétés immunomodulatrices. Des résultats préliminaires sont venus confirmer, dans ce<p>modèle, l’augmentation d’ITPKB préalablement observée en cours de différenciation spontanée.<p>Nous avons également montré que l’expression du gène suppresseur de tumeur PTEN était<p>augmentée en cours de différenciation spontanée des cellules souches embryonnaires humaines. A l’aide<p>de la technique d’immunofluorescence, nous avons mis en évidence une localisation subcellulaire<p>différente de PTEN dans nos cellules souches embryonnaires normales par rapport à leur<p>correspondantes cancéreuses ainsi qu’une plus faible expression de PTEN dans ces dernières, confirmant<p>ainsi nos résultats obtenus précédemment par qPCR. PTEN est le principal inhibiteur de la voie<p>PI3K/AKT dont nous avons également disséqué l’expression des effecteurs majeurs par qPCR. Nous<p>avons notamment mis en évidence une augmentation de l’expression des unités régulatrices p85α et<p>catalytique p110β en cours de différenciation. Ces mêmes enzymes étaient également surexprimées dans<p>les cellules de carcinome embryonnaire préalablement différenciées à l’aide d’acide rétinoïque.<p>En conclusion, l’ensemble de ces résultats met en évidence une modulation des voies de<p>signalisation dérivées de l’inositol en cours de différenciation spontanée et dirigée des cellules souches<p>embryonnaires, suggérant leur implication dans le contrôle de la différenciation de ces cellules. Nous<p>avons également observé des différences entre les cellules souches embryonnaires normales et<p>cancéreuses, dont l’étude devra être approfondie afin d’évaluer l’impact de ces divergences sur le risque<p>de transformation cancéreuse des cellules souches embryonnaires humaines. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

During embryonic development, multipotent cardiovascular progenitor cells (MCPs) are specified from early mesoderm. Although the core cardiac transcriptional machinery acting during cardiac cell differentiation is relatively well known, the molecular mechanism acting upstream of these cardiac transcriptional factors, and promoting cardiac progenitor specification from early mesoderm remains poorly understood. We used embryonic stem cell (ESC) differentiation as a model to dissect the molecular mechanisms implicated in cardiovascular progenitor specification. Using ESCs, in which gene expression can be temporally regulated, we showed that transient expression of Mesp1 dramatically accelerates and enhances multipotent cardiovascular progenitor specification through an intrinsic and cellular autonomous mechanism. Using genome wide transcriptional analysis, we found that Mesp1 rapidly activates and represses a discrete set of genes. Using chromatin immunoprecipitation, we showed that Mesp1 directly binds to regulatory DNA sequences located in the promoter of many key genes belonging to the core cardiac transcriptional machinery, resulting in their rapid upregulation. Mesp1 also directly and strongly represses the expression of key genes regulating other early mesoderm and endoderm cell fates. Using engineered ESC expressing the green fluorescent protein under the control of the Mesp1 promoter, we isolated Mesp1 expressing cells in differentiating ESCs allowing characterization of the cellular and molecular mechanisms underlying cardiovascular specification. Our results demonstrate that Mesp1 acts as a key regulatory switch during cardiovascular specification, residing at the top of the hierarchy of the gene network responsible for cardiovascular cell fate determination. Moreover our results place Mesp1 upstream of the specification of both first and second heart fields and provide novel and important insights into the molecular mechanisms underlying the earliest step of cardiovascular specification. We identified cell surface markers expressed allowing the isolation of early cardiovascular progenitors and provide potentially novel methods for dramatically increasing the number of cardiovascular cells for cellular therapy in humans. / Doctorat en sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le sujet de ce travail de thèse a concerné l'analyse de l’immunogénicité de progéniteurs cardiaques issus de cellules souches embryonnaires humaines. Le but a été double. D’une part, comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent cette immunogénicité et, d’autre part, mettre en place des stratégies d’immuno-intervention permettant de la surmonter.Le travail a comporté deux volets, l’un in vitro et l’autre in vivo utilisant des modèles expérimentaux murins. Les analyses in vitro, ont utilisé une méthode de culture lymphocytaire mixte où des progéniteurs cardiaques humains ont été mis en culture avec des lymphocytes allogéniques. Les résultats ont montré que les progéniteurs cardiaques sont effectivement immunogènes et que la réponse immunitaire qu’ils suscitent peut-être modulée efficacement par des cellules mésenchymateuses dérivées du tissu adipeux. De plus, nous avons confirmé l’expression des molécules d’histocompatibilité de classe I à la surface de progéniteurs cardiaques, une expression qui semble modulée au cours de la culture.Les modèles in vivo que nous avons utilisés ont consisté en l’implantation de corps embryoïdes et des progéniteurs cardiaques de souris dans un contexte allogénique. Divers sites d’implantation ont été utilisés (myocarde, capsule rénale, muscle gastrocnemius) chez des souris immunocompétentes. Les résultats ont montré qu’à la fois les corps embryoïdes et les progéniteurs cardiaques sont rejetés chez les receveurs immunocompétents non traités, avec une cinétique différente en fonction du site d’implantation. Par ailleurs, l’utilisation d’un traitement par anticorps anti-CD3, appliqué à différents temps suivant l’implantation nous a permis de prolonger la survie des cellules implantées en induisant, en fonction de la fenêtre thérapeutique, soit une immunosuppression soit une tolérance immunitaire. / The present work concerned the analysis of the immunogenicity of cardiac progenitors derived from human embryonic stem cells. Our aim was to understand the cellular and molecular mechanisms which underlie this immunogenicity and to surmount it by setting up strategies of immune-intervention. The study consisted in two major components, one in vitro and the other in vivo using experimental mice models. The in vitro analyses were assessed by the mixed leukocyte reaction method, where human cardiac progenitors were cultured with allogeneic lymphocytes. The results showed that the cardiac progenitors are indeed immunogenic and that the immune response that they induce could be modulated by mesenchymal stromal cells derived from adipose tissue. Moreover, we confirmed the expression of class I histocompatibility molecules on the surface of cardiac progenitors, an expression which seems modulated during the culture. The in vivo models that we used consisted of the grafting of embryoïdes bodies and cardiac progenitors derived from mouse embryonic stem cells in an allogeneic context. Cells were grafted in different sites of immunocompetent mice (myocardium, renal capsule, muscle gastrocnemius). The results showed highlighted that at the same time both embryoïdes bodies and cardiac progenitors are rejected among untreated immunocompetents hosts, whereas their survival is extended by anti-CD3 treatments, In addition, anti-CD3 treatment prolongs the survival of grafted cells, either by immunosuppression or by inducing immune tolerance according to the timing when it is applied.