Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription morphogénétiques qui ont des fonctions cellulaire et non cellulaire-autonomes. Par exemple, En1 et En2 (Engrailed/En) sont importants pour le développement des neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA) et cruciaux pour leur maintien chez l'adulte. Les souris En1+/- présentent une dégénération progressive et spécifique des neurones mDA de la Substantia Nigra pars compacta (SNpc), rappelant la maladie de Parkinson. De plus, l'infusion d'En dans plusieurs modèles de la maladie sauve ces neurones. Dans le modèle MPTP, cela passe par l'augmentation de la traduction d'une sous-unité du complexe 1 de la mitochondrie, Ndufs1. Le but de ma thèse était de trouver d'autres mécanismes neuro-protecteurs d'En. En étudiant les souris En1+/-, nous avons montré que la neurodégénérescence est accompagnée de cassures d'ADN et d'une relaxation de la chromatine. Dans un modèle de fort stress oxydatif, on trouve un phénotype similaire mais accéléré, qui est guéri par En. L'amélioration de ces marqueurs majeurs du vieillissement après l'injection d'En renforce l'idée qu'il est un facteur anti-âge prometteur dans le traitement de la maladie de Parkinson. Les LINEs sont des rétrotransposons qui ont la capacité de se propager dans le génome, via un mécanisme de copier/coller. Bien que longtemps considérés comme silencieux, nous avons montré qu'ils sont exprimés dans la SNpc et suractivés par un fort stress oxydatif, entrainant cassures d'ADN et neurodégénération. Leur répression transcriptionnelle ou épigénétique par En pourrait expliquer l'activité protectrice de cette protéine dans des modèles de stress oxydatif progressifs ou forts. / Homeoproteins are morphogenetic transcription factors, which have cell and non-cell autonomous functions. For example, En1 and En2, collectively Engrailed (En), are important for midbrain dopaminergic (mDA) neuron development and crucial for their adult maintenance. En1+/- mice display a selective and progressive degeneration of the mDA neurons of the Substantia Nigra pars compacta (SNpc), reminiscent of Parkinson disease (PD). Furthermore, En infusion in the SNpc saves neurons in several models of the disease. In the case of MPTP, En-mediated neuroprotection partially necessitates its ability to upregulate the translation of Ndufs1, a subunit of the mitochondrial Complex I. The main aim of my thesis was to study additional neuroprotective pathways mediated by En. We first studied En1+/- mice and showed that neurodegeneration was accompanied by increased DNA damage and chromatin relaxation. In an acute oxidative stress model, similar but accelerated phenotypes were seen, which were antagonized by En injection. The En-mediated positive impact on these key hallmarks of ageing lends weight to the idea that En is a promising anti-ageing factor, possibly useful in the treatment of PD. Long interspersed nuclear elements (LINE-1) are a class of retrotransposons with the ability to multiply in the genome. Although considered silent, they are expressed in mouse mDA neurons and their expression is increased by an acute oxidative stress, leading to DNA damage and degeneration. Their direct repression by En allows us to propose that their transcriptional and/or epigenetic silencing explains part of En protective activity in mouse models of acute and progressive oxidative stress.

Engrailed (En) est un facteur de transcription important pour la mise en place de la segmentation de l’embryon et du plan d’organisation antéro-postérieur. Comme d’autres membres de la famille des homéoprotéines, Engrailed peut aussi agir comme une molécule de signalisation extracellulaire, internalisable grâce à son domaine « pénétratine » et stimulant dans la cellule cible la transcription ou la traduction des ARNm. De cette façon, Engrailed guide les axones en modifiant la traduction dans le cône de croissance axonal et l’infusion cérébrale d’Engrailed protège les neurones dopaminergiques dans un modèle de la maladie de Parkinson en augmentant la traduction de protéines mitochondriales. Des troubles cognitifs et un déficit des interactions sociales ont été observés chez les souris En1+/- et les souris En2-/-. Une augmentation de l’expression d’En2 a aussi été observée chez des patients atteints de troubles du spectre autistique. Néanmoins, le lien entre les modifications de l’expression d’Engrailed et l’autisme ne sont pas compris. L’objectif de cette thèse a été d’étendre notre connaissance des fonctions d’Engrailed dans une région télencéphalique où elle est a priori peu exprimée (l’hippocampe). Nos résultats confirment l’expression d’En1 et En2 dans l’hippocampe mature et décrivent les variations de l’expression de ces gènes au cours du développement de cette structure. En1 et En2 présentent des patrons d’expression différents pendant la première semaine postnatale et chez l’adulte suggérant que des variations du dosage génique d’Engrailed sont liées à certaines phases du développement, en particulier au début de la synaptogenèse. Nous avons également découvert que dans les cultures de cellules d’hippocampe Engrailed est exprimé dans les neurones et que son expression est plus forte dans les neurones GABA-ergiques, notamment dans leurs prolongements dendritiques et axonaux. Nous avons constaté qu’un excès d’Engrailed (décrit dans certains cas de TSA) augmente la complexité dendritique ainsi que la densité des épines dendritiques plastiques mais sans augmenter parallèlement la formation de synapses matures excitatrices. Nous avons observé des variations de densité des épines dendritiques chez les souris En2-/- et les souris En1+/-, ce qui confirme l’implication d’Engrailed dans leur formation ou leur stabilisation. Si dans nos conditions expérimentales l’excès d’Engrailed ne modifie pas la densité des synapses, un mutant d’Engrailed qui présente une interaction réduite avec eIF4E est moins efficace qu’Engrailed pour augmenter la densité des épines et diminue la densité des boutons présynaptiques et le synaptic matching. Ces résultats indiquent que l’interaction avec eIF4E régule au moins en partie les effets d’Engrailed sur la spinogenèse et suggèrent également une implication d’Engrailed dans la formation ou la stabilisation des boutons présynaptiques. Le rôle clef d’eIF4E dans la traduction permet de postuler que certains effets d’Engrailed observés dans notre étude pourraient dépendre de la synthèse protéique. Nos résultats montrent à cet égard qu’Engrailed augmente la synthèse protéique dans les neurones d’hippocampe. Cette traduction est différente de celle induite par la LTP chimique (LTPc) car insensible à l’action des oligomères synthétiques d’AβO, responsables sous leur forme naturelle de synaptopathies dans le contexte de la maladie d’Alzheimer. Engrailed permet également de restaurer la traduction défaillante de neurones issus de souris TG2576, modèles de la maladie d’Alzheimer. Dans leur ensemble, nos résultats identifient Engrailed comme un nouvel acteur de la plasticité dendritique. Ils révèlent qu’un excès d’Engrailed au cours de la synaptogenèse modifie les caractéristiques des dendrites, une situation susceptible d’altérer les caractéristiques fonctionnelles du réseau dendritique dans une situation de surexpression pathologique de la protéine. (...) / Engrailed (En) is an important transcription factor in embryo’s segmentation and anterior-posterior axis establishment during early embryogenesis. As several homeoproteins, Engrailed can act as an extracellular signalling molecule which can be internalized by target cells thanks to its penetratin domain and act through transcriptional and/or translation dependent mechanisms. Engrailed has for instance, translation-dependent effects on axonal guidance and cerebral infusion of Engrailed protects dopaminergic neurons in a Parkinson disease model by increasing mitochondrial protein translation. Also, cognitive defects were observed in En1+/+ and En2-/- and En2 expression is increased in ASD patients. This work consisted in extending the knowledge of Engrailed expression and functions. We explored the links with a telencephalic structure where it is a priori fewly expressed (hippocampus). Our results confirm En1 and En2 expression in the mature hippocampus and describe their respective expression along the development of this structure. En1 and En2 have different expression patterns during the first post-natal week as well as in the adulthood suggesting a genetic dosage of Engrailed during the development, specifically with the beginning of synaptogenesis. We also reveal that Engrailed, expressed in hippocampal neurons, is more expressed in GABA-ergic neurons, notably in their dendritic and axonal neurites. We observe that an excess of Engrailed (described in some ASD cases) increases dendritic complexity as well as plastic dendritic spine density, without affecting mature excitatory synapses. We show that En2-/- and heterozygote En1 mice have variations in dendritic spine density, which confirms that Engrailed is involved either in their formation or stabilization. Even though our experiments show no modification of synapse density with an excess of Engrailed, a mutant showing a decreased eIF4E interaction and less efficient than wild type Engrailed to increase dendritic spine density, decreases presynaptic button density and synaptic matching. Those results indicate that eIF4E interaction with Engrailed is, at least in part, responsible for its effects on spinogenesis and suggest a role of Engrailed in presynaptic button formation/stabilization. Key-role of eIF4E in translation allow to hypothesize that some of Engrailed effects we report could be translation dependent. In this sense, our results show that Engrailed is able to increase proteic synthesis in hippocampal neurons. This translation is different from the one induced by chemical LTP (LTPc): it is not altered by synthetic AβO, which are the main toxic agent when produced at abnormally high levels in Alzheimer disease. Engrailed is also able to restore defaulting translation in neurons from Alzheimer disease mice model (TG2576). As a whole, our results identify Engrailed as a novel actor in dendritic plasticity. They reveal that an excess of Engrailed during synaptogenesis can modify dendrite characteristics. This can lead to dendritic network dysfunction in a context of pathologic surexpression of Engrailed. Our observations open to new perspectives contributing to a better understanding of the relationship between Engrailed and ASD. Finally, this work lays the foundation to potentially fruitful links between Engrailed and AβOligomers signalling pathways, where modulation of protein synthesis could be a therapeutic lever in physiopathologic conditions.

Yes / Background: Epithelial ovarian cancer is a common malignancy, with no clinically approved diagnostic biomarker. Engrailed-2 (EN2) is a homeodomain-containing transcription factor, essential during embryological neural development, which is dysregulated in several cancer types. We evaluated the expression of EN2 in Epithelial ovarian cancer, and reviewed its role as a biomarker. Methods: We evaluated 8 Epithelial ovarian cancer cell lines, along with > 100 surgical specimens from the Royal Surrey County Hospital (2009–2014). In total, 108 tumours and 5 normal tissue specimens were collected. En2 mRNA was evaluated by semi-quantitative RT-PCR. Histological sub-type, and platinum-sensitive/−resistant status were compared. Protein expression was assessed in cell lines (immunofluorescence), and in > 150 tumours (immunohistochemistry). Results: En2 mRNA expression was elevated in serous ovarian tumours compared with normal ovary (p < 0.001), particularly in high-grade serous ovarian cancer (p < 0.0001) and in platinum-resistant tumours (p = 0.0232). Median Overall Survival and Progression-free Survival were reduced with high En2 expression (OS = 28 vs 42 months, p = 0.0329; PFS = 8 vs 27 months; p = 0.0004). Positive cytoplasmic EN2 staining was demonstrated in 78% of Epithelial ovarian cancers, with absence in normal ovary. EN2 positive high-grade serous ovarian cancer patients had a shorter PFS (10 vs 17.5 months; p = 0.0103). Conclusion: The EN2 transcription factor is a novel ovarian cancer biomarker. It demonstrates prognostic value, correlating with worse Overall Survival and Progression-free Survival. It is hoped that further work will validate its use as a biomarker, and provide insight into the role of EN2 in the development, progression and spread of ovarian cancer. / Oncology Research and Development Departments at the Royal Surrey County Hospital and the University of Surrey

Malkostrake Krebse zeigen im postnauplialen Keimstreif ein invariantes Zellteilungsmuster und eine Zelllinie. Embryonen eines Isopoden (Porcellio scaber) und eines Amphipoden (Orchestia cavimana) wurden bezüglich ihrer Zelllinie vergleichend Untersucht. Mittels immunhistochemischer Färbungen wurde das Expressionsmuster der Gene engrailed und Distal-less in Hinblick auf die Zelllinie und die Morphogenese der Segmente und der Beinentwicklung analysiert. Die Zelllinie wurde bei Porcellio scaber mit der Methode der 4D-Mikroskopie untersucht. Mit Zellablationsexperimenten wurden Abhängigkeiten der Zellen untereinander aufgezeigt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen: I. Die Genexpression von Distal-less und engrailed wird unabhängig von der Zelllinie reguliert. II. Die Bildung der konvergenten einästigen Beine im Thoraxbereich beider Krebse erfolgt durch unterschiedliche Regulation des Gens Distal-less - bei Orchestia cavimana wird die Expression des Gens in den lateralen Zellen abgeschaltet, während diese Zellen bei Porcellio scaber erst gar nicht Distal-less exprimieren. III. Die Anwendung des Systems der 4D-Mikroskopie zeigte unter anderem, dass in den vorderen Reihen nichtektoteloblastischen Ursprungs bei Porcellio scaber die Zelllinie variabel ist und eine Zellsortierung und Zellimmigration stattfindet. IV. Die Ähnlichkeit der Bildung dieser Reihen bei Porcellio scaber mit der der Tanaidaceen lässt auf ein Schwestergruppenverhältnis der Taxa Isopoda und Tanaidacea schliessen. Die Dissertation enthält fünf Videoaufnahmen als separate AVI-Dateien. / Malacostracan crustaceans show in their postnaupliar germ-band an invariant cleavage pattern and a cell-lineage. A comparative analysis of this cell-lineage in an Isopod (Porcellio scaber) and an amphipod (Orchestia cavimana) was done in this thesis. Immunohistochemical stainings of the gene products Distal-less and Engrailed were used, to show the relation of these genes to the morphogenesis of segments and legs. Further, the cell-lineage of Porcellio scaber was analyzed with a 4D-microscope system. Cell-ablation experiments were used to show regulational networks in the development of the germ-band. The results of this work show: I. The regulation of the genes Distal-less and engrailed is independent of the cell-lineage. II. The morphogenesis of the convergent monoramous limbs in the thorax is reflected by different expression patterns of the gene Distal-less - in Orchestia cavimana the expression of Distal-less is switched off in the lateral cells, in Porcellio scaber these cells do not start the Distal-less expression. III. The 4D-microscopy analysis show, that the cell-lineage in the cellrows wich have a non-ectoteloblastic origin is not invariant. In these rows of cells show cell sorting. IV. The formation of these rows in the isopod Porcellio scaber shows similarity to the formation in tanaidaceans. A sister group relationship of Tanaidacea and Isopoda is strongly supported. This dissertation contains five video recordings as separate AVI files.

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

Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription qui en plus de leur rôle important durant le développement des métazoaires, bénéficient de fonctions autonome et non autonome-cellulaire dans le cerveau adulte. Parmi ces homéoprotéines, Engrailed1/2 (collectivement Engrailed) est exprimée dans les neurones dopaminergiques mésencéphaliques adulte, ceux-là même qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson. Chez les souris délétées d’une copie du gène (En1+/-), une dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques s’accompagne de symptômes moteurs et non moteurs rappelant la maladie de Parkinson, ce qui pourrait faire de ces souris un modèle nouveau et intéressant de cette maladie neurodégénérative. Des expériences de transduction de la protéine En1 dans les cellules du mésencéphale de souris démontrent son effet neuroprotecteur dans des modèles toxicologiques de la maladie de Parkinson et chez les souris En1+/-, menant à l’hypothèse qu’Engrailed est important dans la physiopathologie de cette maladie. L’essentiel de ce travail de thèse s’inscrit dans la compréhension des mécanismes d’action de l’homéoprotéine Engrailed dans les neurones dopaminergiques mésencéphaliques. L’activité physiologique importante de ces neurones et le stress métabolique oxydant qui est généré touche plusieurs compartiments cellulaires, dont le noyau. La stabilité du génome semble être un aspect majeur de l’action d’Engrailed dans ces neurones. D’abord contre les effets délétères du stress oxydatif sur l’intégrité de l’ADN et la structure de la chromatine, ensuite, contre l’activité génotoxique des éléments transposables LINE-1. / Homeoproteins are a major class of transcription factors that exert some of their functions through non-cell autonomous activity, due to their ability to transfer between cells. Two of these homeoproteins, En1 and En2 (collectively Engrailed) are responsible for midbrain dopaminergic (mDA) neuron development, and maintenance during adulthood. En1+/- mice display a selective and progressive degeneration of the mDA neurons, reminiscent of Parkinson disease (PD). Engrailed infusion confers neurotection against cell death in several mouse models of PD, leading to the hypothesis that Engrailed could be implicated in the physiopathology of the disease. To dissect the mechanisms underlying Engrailed-mediated protection, the transcriptome of mDA neurons in En1+/- was analyzed. It was found that the loss of one En1 allele leads to severe alterations in the expression of DNA damage response and chromatin remodeling genes. The same alterations were detected and amplified in an acute mouse model of oxidative stress, suggesting that mDA neurons from En1+/- mice are less resistant to oxidative stress and, conversely, that Engrailed may protect them against oxidative stress. Indeed, Engrailed transduction into mDA neurons saves them from cell death and restores all DNA damage and epigenetic marks. A second mechanism neuroprotection by Engrailed concerns LINE-1 elements. These retrotransposons have the ability to create genomic instability through their endonuclease activity. Their direct repression by Engrailed could be part of a general protective activity against genomic instability.

Heidelberg, Univ., Diss., 2008.

No description available.

Yes / Engrailed-2 (EN2) is a homeodomain-containing transcription factor that has roles in boundary formation and neural guidance in early development, but which is also expressed in a range of cancers. In addition to transcriptional regulation, it is secreted by cells and taken up by others through a mechanism that is yet to be fully elucidated. In this study, the distribution of EN2 protein in cells was evaluated using immunofluorescence with a set of antibodies raised against overlapping epitopes across the protein, and through the use of an EN2-GFP construct. MX2 expression in primary prostate tumors was evaluated using immunohistochemistry. We showed that EN2 protein is present in the cell membrane and within microvesicles that can be secreted from the cell and taken up by others. When taken up by normal cells from the stroma EN2 induces the expression of MX2 (MxB), a protein that has a key role in the innate immune response to viruses. Our findings indicate that EN2 secretion by tumors may be a means of preventing viral-mediated immune invasion of tissue immediately adjacent to the tumor. / The Ringrose Family Trust supported this study through a studentship awarded to N.P.

Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription importants au cours du développement des organismes vivants, capables notamment de voyager de cellule en cellule. Ces protéines comportent une longue extrémité N-terminale désordonnée, suivie de trois hélices α séparées par une boucle et un tour. Des études de relations structure-activité ont montré que des domaines cationiques (riches en K et R) particuliers dans ces protéines sont responsables de ces propriétés de transfert cellulaire leur permettant d’être secrétées et internalisées dans les cellules. Ces processus impliquent que ces protéines hydrophiles soient capables de franchir la membrane plasmique composée d'un coeur hydrophobe. La membrane plasmique est en effet composée d’une bicouche lipidique, dans laquelle sont insérées de nombreuses protéines, telles que les protéoglycanes portant des ramifications de glycosaminoglycanes (GAG), polysaccharides anioniques. Dans le but de comprendre au niveau moléculaire le processus d'entrée des homéoprotéines dans des cellules eucaryotes, différentes constructions protéiques ont été produites et étudiées : le peptide pénétrant les cellules correspondant à l'hélice 3 (H3), la séquence correspondant à l'homéodomaine (HD), l'homéodomaine étendu d'une séquence putative de liaison aux GAG (NLS-HD) et la protéine entière (En2). La quantification absolue de l’entrée de ces constructions dans des cellules CHO-K1 par spectrométrie de masse a mis en évidence une efficacité d'entrée meilleure pour H3 > NLS-HD > HD, ainsi que l’importance des GAG de surface dans le processus et plus particulièrement celui des héparanes sulfates (HS). Des expériences complémentaires d’ITC, de dichroïsme circulaire et de RMN ont permis d'identifier deux sites d’interaction avec l’héparine (un site principal de haute affinité et un site secondaire de plus basse affinité), interagissant principalement avec le polysaccharide par interactions électrostatiques. In fine, ces études conduisent à une meilleure compréhension moléculaire du processus d'internalisation des homéoprotéines dans des cellules eucaryotes. / Homeoproteins are important transcription factors during the development of living organisms, and are able to travel from cell to cell. These proteins contain a long N-terminal extremity structurally disordered, followed by three α helices separated by a U-turn. Structure-activity relation studies have shown that in these proteins, some cationic domains (rich in K and R) confer them the cellular transfer properties, allowing them to be secreted by and internalized into cells. These processes imply that the hydrophilic proteins are able to cross plasma membrane. Indeed, the plasma membrane possess a hydrophobic heart and is composed by a lipidic bilayer, in which numerous proteins are inserted, such as proteoglycans carrying glycosaminoglycan (GAG) ramifications, that belong to anionic polysaccharids. In order to understand the entry process of homeoproteins into eukaryotic cells at a molecular level, different proteic constructions have been produced and studied: the cell penetrating peptide corresponding to the third α helix (H3), the sequence corresponding to its homeodomain (HD), the homeodomain with an added putative GAG-binding domain (NLS-HD), and the wild-type protein Engrailed 2 (En2). The absolute mass spectrometry quantification of the peptide and proteins in cells shows a range of internalization efficiency as follows: H3 > NLS - HD > HD. It also highlights the importance of cell-surface GAGs in the internalization and more particularly that of heparan sulfates (HS). Complementary experiments of ITC, circular dichroism and NMR have shown two interaction sites for the heparin (one principal site of high affinity and a secondary site showing a lower affinity) both interacting mainly with polysaccharidic residues using electrostatic interactions. In fine, these studies lead to a better molecular understanding of homeoproteins internalization process in eukaryotic cells.