Epidermal growth factor (EGF) previously has been shown to stimulate short-term survival in vitro of cells derived from the native amphibian retinal pigment epithelium (RPE). In the present experiments, we have examined intracellular signaling pathways responsible for mediating these survival-specific growth factor effects, distinct from proliferative effects, using the human epithelial cell line RPE D407. When maintained as single cells in suspension culture in the absence of serum and exogenous survival factors, RPE D407 cell viability gradually declined over a 3-4 day period as a result of apoptotic cell death, a pattern similar to that seen for eye-derived RPE cells. Exposure to EGF (50 ng ml-1) enhanced cell survival by nearly 40% and caused a parallel increase in the tyrosine phosphate content of the EGF receptor (EGFR), as determined by immunoprecipitation and Western blotting. Both effects were completely blocked by 1μM AG1478, an EGFR-selective tyrosine kinase inhibitor. EGF also stimulated phosphorylation of the phosphatidylinositol 3′-kinase (PI3K)-dependent effector kinase Akt, as well as that of the MEK-dependent mitogen-activated kinase (MAPK), extracellular signal-regulated kinase (ERK). Furthermore, EGF-induced protection was substantially reduced by either the PI3K inhibitor LY294002 (25μM) or the MEK inhibitor U0126 (10μM), under conditions in which phosphorylation of Akt and ERK1/2, respectively, was blocked. Our results indicate that EGF-stimulated survival of RPE D407 cells takes place as a result of signaling through both PI3K and ERK/MAPK pathways. Further, residual anti-apoptotic activity stimulated by EGF in the presence of both blockers suggests that additional as yet unidentified growth factor-dependent survival pathways exist.

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La rhinosinusite chronique (RSC) est une maladie inflammatoire des sinus suffisamment prévalente au Canada et pouvant avoir un impact significatif sur la qualité de vie des patients. Depuis plusieurs années, cette maladie complexe constitue un terrain fertile pour la recherche scientifique. Bien qu’elle soit bien comprise au niveau syndromique, plusieurs mystères persistent quant aux mécanismes physiopathologiques sous-jacents. Ces questionnements pourraient potentiellement expliquer les différences cliniques observées, particulièrement dans les réponses thérapeutiques. Considérant les lacunes persistantes dans la compréhension entière de la maladie, le présent mémoire tente de faire le point sur les endotypes épithéliaux ainsi que sur le pathobiome de la RSC. Dans un premier temps, l’analyse transcriptomique de cellules épithéliales cultivées en laboratoire de patients avec RSC a permis d’identifier deux groupes distincts en termes de marqueurs inflammatoires et de signature épithéliale. Ceci laisse supposer que ces mécanismes physiopathologiques seraient grandement impliqués dans la maladie. Dans un deuxième temps, et dans un objectif exploratoire et de faisabilité, le séquençage d’échantillons de RSC a permis de détecter la présence de virus, laissant présager que ceux-ci pourraient avoir un rôle dans la physiopathologie de la maladie et combler les mystères résiduels dans sa compréhension globale. En conclusion, les endotypes déterminés par le profil d’expression génique permettraient une meilleure classification de la RSC et une meilleure personnalisation des thérapies. De plus, la présence tangible de virus dans la RSC est certainement prometteuse et ouvre une grande porte de recherche. Toutefois, d’autres études seront nécessaires pour mieux caractériser leur nature et leur rôle. / Chronic rhinosinusitis (CRS) is a complex inflammatory disease of the sinuses that is prevalent in Canada and that can significantly affect patients’ quality of life. For several years now, this heterogenous disease have been in the scope of many scientific research. While CRS is clinically well understood, much remains unknown concerning the underlying pathophysiological mechanisms. This could potentially explain the notable clinical differences observed between patients, especially in terms of therapeutic responses. In hope of bridging the gaps in understanding CRS, the present thesis aims to discuss epithelial endotypes as well as the feasibility and potential role of viruses in CRS. Firstly, gene expression profiling revealed two distinct clusters of CRS patients: a group with severe non-Type 2 inflammation and epithelial dysfunction, and a group characterised by moderate non-Type 2 inflammation and epithelial dysfunction. This highlights that these two different mechanisms are involved in the development of CRS. Secondly, and with an exploratory intent, next-generation sequencing and transcriptomic assembly of CRS samples have confirmed the presence of viruses, suggesting that viruses are present in CRS and could possibly play a role in the pathogenesis of this disease, potentially addressing the shortcomings in CRS. To summarize, epithelial endotypes identified by gene expression profiling could aid in better classifying CRS to provide a tailored therapeutic option. The presence of viruses in CRS samples unfolds an interesting chapter in this field. However, larger populations will be required to better characterize the nature of these viruses and to assess their intrinsic role in CRS.

The large intestinal epithelium is confronted with the necessity to adapt quickly to varying levels of oxygenation. In contrast to other tissues, it meets this requirement successfully and remains unharmed during (limited) hypoxic periods. The large intestine is also the site of bacterial fermentation producing short-chain fatty acids (SCFA). Amongst these SCFA, butyrate has been reported to ameliorate many pathological conditions. Thus, we hypothesized that butyrate protects the colonocytes from hypoxic damage. We used isolated porcine colon epithelium mounted in Ussing chambers, incubated it with or without butyrate and simulated hypoxia by changing the gassing regime to test this hypothesis. We found an increase in transepithelial conductance and a decrease in short-circuit current across the epithelia when simulating hypoxia for more than 30 min. Incubation with 50 mM butyrate significantly ameliorated these changes to the epithelial integrity. In order to characterize the protective mechanism, we compared the effects of butyrate to those of iso-butyrate and propionate. These two SCFAs exerted similar effects to butyrate. Therefore, we propose that the protective effect of butyrate on colon epithelium under hypoxia is not (only) based on its nutritive function, but rather on the intracellular signaling effects of SCFA.

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Nous proposons dans cette thèse de caractériser quantitativement la variabilité à différentes échelles au cours de l'embryogenèse. Pour ce faire, nous utilisons une combinaison de modèles mathématiques et de résultats expérimentaux. Dans la première partie, nous utilisons une petite cohorte d'oursins digitaux pour construire une représentation prototypique du lignage cellulaire, reliant les caractéristiques des cellules individuelles avec les dynamiques à l'échelle de l'embryon tout entier. Ce modèle probabiliste multi-niveau et empirique repose sur les symétries des embryons et sur les identités cellulaires; cela permet d'identifier un niveau de granularité générique pour observer les distributions de caractéristiques cellulaires individuelles. Le prototype est défini comme le barycentre de la cohorte dans la variété statistique correspondante. Parmi plusieurs résultats, nous montrons que la variabilité intra-individuelle est impliquée dans la reproductibilité du développement embryonnaire. Dans la seconde partie, nous considérons les mécanismes sources de variabilité au cours du développement et leurs relations à l'évolution. En nous appuyant sur des résultats expérimentaux montrant une pénétrance incomplète et une expressivité variable de phénotype dans une lignée mutante du poisson zèbre, nous proposons une clarification des différents niveaux de variabilité biologique reposant sur une analogie formelle avec le cadre mathématique de la mécanique quantique. Nous trouvons notamment une analogie formelle entre l'intrication quantique et le schéma Mendélien de transmission héréditaire. Dans la troisième partie, nous étudions l'organisation biologique et ses relations aux trajectoires développementales. En adaptant les outils de la topologie algébrique, nous caractérisons des invariants du réseaux de contacts cellulaires extrait d'images de microscopie confocale d'épithéliums de différentes espèces et de différents fonds génétiques. En particulier, nous montrons l'influence des histoires individuelles sur la distribution spatiales des cellules dans un tissu épithélial. / We propose in this thesis to characterize variability quantitatively at various scales during embryogenesis. We use a combination of mathematical models and experimental results. In the first part, we use a small cohort of digital sea urchin embryos to construct a prototypical representation of the cell lineage, which relates individual cell features with embryo-level dynamics. This multi-level data-driven probabilistic model relies on symmetries of the embryo and known cell types, which provide a generic coarse-grained level of observation for distributions of individual cell features. The prototype is defined as the centroid of the cohort in the corresponding statistical manifold. Among several results, we show that intra-individual variability is involved in the reproducibility of the developmental process. In the second part, we consider the mechanisms sources of variability during development and their relations to evolution. Building on experimental results showing variable phenotypic expression and incomplete penetrance in a zebrafish mutant line, we propose a clarification of the various levels of biological variability using a formal analogy with quantum mechanics mathematical framework. Surprisingly, we find a formal analogy between quantum entanglement and Mendel’s idealized scheme of inheritance. In the third part, we study biological organization and its relations to developmental paths. By adapting the tools of algebraic topology, we compute invariants of the network of cellular contacts extracted from confocal microscopy images of epithelia from different species and genetic backgrounds. In particular, we show the influence of individual histories on the spatial distribution of cells in epithelial tissues.

Nous proposons dans cette thèse de caractériser quantitativement la variabilité à différentes échelles au cours de l'embryogenèse. Pour ce faire, nous utilisons une combinaison de modèles mathématiques et de résultats expérimentaux. Dans la première partie, nous utilisons une petite cohorte d'oursins digitaux pour construire une représentation prototypique du lignage cellulaire, reliant les caractéristiques des cellules individuelles avec les dynamiques à l'échelle de l'embryon tout entier. Ce modèle probabiliste multi-niveau et empirique repose sur les symétries des embryons et sur les identités cellulaires; cela permet d'identifier un niveau de granularité générique pour observer les distributions de caractéristiques cellulaires individuelles. Le prototype est défini comme le barycentre de la cohorte dans la variété statistique correspondante. Parmi plusieurs résultats, nous montrons que la variabilité intra-individuelle est impliquée dans la reproductibilité du développement embryonnaire. Dans la seconde partie, nous considérons les mécanismes sources de variabilité au cours du développement et leurs relations à l'évolution. En nous appuyant sur des résultats expérimentaux montrant une pénétrance incomplète et une expressivité variable de phénotype dans une lignée mutante du poisson zèbre, nous proposons une clarification des différents niveaux de variabilité biologique reposant sur une analogie formelle avec le cadre mathématique de la mécanique quantique. Nous trouvons notamment une analogie formelle entre l'intrication quantique et le schéma Mendélien de transmission héréditaire. Dans la troisième partie, nous étudions l'organisation biologique et ses relations aux trajectoires développementales. En adaptant les outils de la topologie algébrique, nous caractérisons des invariants du réseaux de contacts cellulaires extrait d'images de microscopie confocale d'épithéliums de différentes espèces et de différents fonds génétiques. En particulier, nous montrons l'influence des histoires individuelles sur la distribution spatiales des cellules dans un tissu épithélial. / We propose in this thesis to characterize variability quantitatively at various scales during embryogenesis. We use a combination of mathematical models and experimental results. In the first part, we use a small cohort of digital sea urchin embryos to construct a prototypical representation of the cell lineage, which relates individual cell features with embryo-level dynamics. This multi-level data-driven probabilistic model relies on symmetries of the embryo and known cell types, which provide a generic coarse-grained level of observation for distributions of individual cell features. The prototype is defined as the centroid of the cohort in the corresponding statistical manifold. Among several results, we show that intra-individual variability is involved in the reproducibility of the developmental process. In the second part, we consider the mechanisms sources of variability during development and their relations to evolution. Building on experimental results showing variable phenotypic expression and incomplete penetrance in a zebrafish mutant line, we propose a clarification of the various levels of biological variability using a formal analogy with quantum mechanics mathematical framework. Surprisingly, we find a formal analogy between quantum entanglement and Mendel’s idealized scheme of inheritance. In the third part, we study biological organization and its relations to developmental paths. By adapting the tools of algebraic topology, we compute invariants of the network of cellular contacts extracted from confocal microscopy images of epithelia from different species and genetic backgrounds. In particular, we show the influence of individual histories on the spatial distribution of cells in epithelial tissues.

Nous proposons dans cette thèse de caractériser quantitativement la variabilité à différentes échelles au cours de l'embryogenèse. Pour ce faire, nous utilisons une combinaison de modèles mathématiques et de résultats expérimentaux. Dans la première partie, nous utilisons une petite cohorte d'oursins digitaux pour construire une représentation prototypique du lignage cellulaire, reliant les caractéristiques des cellules individuelles avec les dynamiques à l'échelle de l'embryon tout entier. Ce modèle probabiliste multi-niveau et empirique repose sur les symétries des embryons et sur les identités cellulaires; cela permet d'identifier un niveau de granularité générique pour observer les distributions de caractéristiques cellulaires individuelles. Le prototype est défini comme le barycentre de la cohorte dans la variété statistique correspondante. Parmi plusieurs résultats, nous montrons que la variabilité intra-individuelle est impliquée dans la reproductibilité du développement embryonnaire. Dans la seconde partie, nous considérons les mécanismes sources de variabilité au cours du développement et leurs relations à l'évolution. En nous appuyant sur des résultats expérimentaux montrant une pénétrance incomplète et une expressivité variable de phénotype dans une lignée mutante du poisson zèbre, nous proposons une clarification des différents niveaux de variabilité biologique reposant sur une analogie formelle avec le cadre mathématique de la mécanique quantique. Nous trouvons notamment une analogie formelle entre l'intrication quantique et le schéma Mendélien de transmission héréditaire. Dans la troisième partie, nous étudions l'organisation biologique et ses relations aux trajectoires développementales. En adaptant les outils de la topologie algébrique, nous caractérisons des invariants du réseaux de contacts cellulaires extrait d'images de microscopie confocale d'épithéliums de différentes espèces et de différents fonds génétiques. En particulier, nous montrons l'influence des histoires individuelles sur la distribution spatiales des cellules dans un tissu épithélial. / We propose in this thesis to characterize variability quantitatively at various scales during embryogenesis. We use a combination of mathematical models and experimental results. In the first part, we use a small cohort of digital sea urchin embryos to construct a prototypical representation of the cell lineage, which relates individual cell features with embryo-level dynamics. This multi-level data-driven probabilistic model relies on symmetries of the embryo and known cell types, which provide a generic coarse-grained level of observation for distributions of individual cell features. The prototype is defined as the centroid of the cohort in the corresponding statistical manifold. Among several results, we show that intra-individual variability is involved in the reproducibility of the developmental process. In the second part, we consider the mechanisms sources of variability during development and their relations to evolution. Building on experimental results showing variable phenotypic expression and incomplete penetrance in a zebrafish mutant line, we propose a clarification of the various levels of biological variability using a formal analogy with quantum mechanics mathematical framework. Surprisingly, we find a formal analogy between quantum entanglement and Mendel’s idealized scheme of inheritance. In the third part, we study biological organization and its relations to developmental paths. By adapting the tools of algebraic topology, we compute invariants of the network of cellular contacts extracted from confocal microscopy images of epithelia from different species and genetic backgrounds. In particular, we show the influence of individual histories on the spatial distribution of cells in epithelial tissues.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / While breast cancer is the second most commonly diagnosed cancer worldwide, its causes and natural history are not well defined. The female mammary organ is unique in that it does not reach full maturity until the lactation cycle following pregnancy. This cycle entails extensive growth and reorganization of the primitive epithelial ductal network. Following lactation, these same epithelial cells undergo an equally extensive program of apoptosis and involution. The mammary gland's sensitivity to pro-growth and pro-apoptotic signals may partly explain its proclivity to develop cancers. For epithelial cells to become transformed they must lose intracellular organization known as polarity as differentiated epithelial tissues are refractory to aberrant growth. One essential component of epithelial to mesenchymal transition is the intrinsic capacity of cells to repurpose polarity constituents to promote growth. Recently, a novel mechanism of organ size control has been shown to repurpose the apical junctional associated protein Yap into the nucleus where it functions as a transcriptional coactivator promoting growth and dedifferentiation. The focus of my work has been on a family of adaptor proteins termed Amots that have been shown to scaffold Yap and inhibit growth signaling. Specifically, I have shown that the 80KDa form of Amot, termed Amot80, acts as a dominant negative to the other Amot proteins to promote cell growth while reducing cell differentiation. Amot80 was found to promote the prolonged activation of MAPK signaling. Further, Amot80 expression was also found to enhance the transcriptional activity of Yap. This effect likely underlies the ability of Amot80 to drive disorganized overgrowth of MCF10A cells grown in Matrigel̈™. Overall, these data suggest a mechanism whereby the balance of Amot proteins controls the equilibrium between growth and differentiation within mammary epithelial tissues.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des dommages au niveau de la barrière alvéolo-capillaire, résultant en la formation d’un œdème pulmonaire et une réponse inflammatoire exacerbée. Sans résolution rapide de ces paramètres, le syndrome progresse vers le développement de fibrose menant à l’insuffisance respiratoire. Or, il a été établi que la réparation de l’épithélium alvéolaire est une étape cruciale pour la résolution du SDRA. Une meilleure compréhension des mécanismes de réparation de l’épithélium alvéolaire est donc nécessaire afin de proposer de nouvelles thérapies pour le SDRA, pour lequel aucun traitement efficace n’existe. Il a été montré que les mécanismes de réparation sont régulés par des protéines membranaires, non seulement par les récepteurs aux facteurs de croissance et les intégrines, mais également par les canaux ioniques, en particulier les canaux potassiques. L’objectif principal de cette étude était donc de caractériser l’impact de la modulation des canaux potassiques KCa3.1 et KvLQT1 dans la résolution du SDRA. Dans un premier temps, nos résultats ont montré le rôle coopératif du canal potassique KCa3.1, de la matrice extracellulaire et de l’intégrine-β1 dans les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire in vitro. Nous avons montré que la matrice de fibronectine et le KCa3.1 étaient impliqués dans la migration et dans la réparation de monocouches de cellules alvéolaires de cultures primaires de rat. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l’impact de la modulation du canal potassique KvLQT1 dans certains aspects physiopathologiques du SDRA à l’aide de modèles in vivo. Nous avons montré que KvLQT1 n’était pas seulement impliqué dans les mécanismes de réparation de l’épithélium alvéolaire, mais également dans la résorption de l’œdème pulmonaire et la résolution de la réponse inflammatoire. Nos résultats démontrent que les canaux potassiques, tels que KCa3.1 et KvLQT1, pourraient être identifiés en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le SDRA. / Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is characterized by alveolar-capillary barrier damage, resulting in the formation of pulmonary oedema and an exacerbated inflammatory response. Without rapid recovery of these parameters, there is a gradual development of fibrosis, leading to respiratory failure. It has been established that alveolar regeneration is a critical step for the resolution of ARDS. A better understanding of alveolar epithelial repair mechanisms is hence necessary to identify new therapies for ARDS, for which no effective treatment exist. It has been shown that repair mechanisms are regulated by membrane proteins, not only by growth factor receptors and integrins, but also by ion channels, in particular potassium channels. Therefore, the main objective of this study was to characterize the impact of KCa3.1 and KvLQT1 potassium channels modulation in the resolution of ARDS. First, our results have shown the cooperative role of the potassium channel KCa3.1, the extracellular matrix and the β1-integrin in alveolar epithelial repair processes in vitro. We have shown that the fibronectin matrix and KCa3.1 are involved in the migration and repair of primary cultures of rat alveolar cell monolayers. Our data also revealed a putative relationship between Kca3.1 and the β1-integrin. Second, we studied the impact of KvLQT1 potassium channel modulation on ARDS pathophysiological aspects with in vivo models. We showed that KvLQT1 was not only involved in alveolar epithelial repair, but also in the resolution of pulmonary oedema and inflammatory response. Taken together, our data demonstrate that potassium channels, such as KCa3.1 and KvLQT1, may be identified as potential therapeutic targets for the resolution of ARDS.