Les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) sont un groupe de maladies génétiquement et cliniquement hétérogènes, lesquelles se caractérisent par une perte progressive de la vision. La choroïdérémie (CHM) est une choriorétinopathie qui représente environ 3% des DRH. Elle se caractérise par une cécité nocturne durant l’enfance suivie par une perte du champ visuel périphérique lente et progressive. Cela aboutit à une cécité vers l’âge de 40 à 50 ans. Généralement, la vision centrale demeure préservée plus longtemps. Génétiquement, la maladie est causée par des mutations dans le gène CHM localisé dans le chromosome X qui code pour la Rab Escort Protein 1 (REP1).Cette protéine est impliquée dans la prénylation des Rab GTPasas qui régulent le trafic vésiculaire au sein de la cellule. La plupart des mutations responsables de la maladie sont des mutations pertes de fonction. La conséquence de ces mutations est l’absence de REP1 entrainant un défaut de prénylation des Rabs. Ce qui cause la dégénérescence des photorécepteurs, de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) et de la choroïde. À ce jour, il n’existe pas de thérapie pour la CHM. Cependant, le diagnostic précoce de la maladie et son évolution lente donnent une fenêtre thérapeutique large et en font un candidat idéal pour la réussite d’un traitement.En raison de l’absence d’un modèle animal pertinent pour tester de nouvelles thérapies pour cette maladie, nous avons développé un modèle cellulaire humain d’EPR in vitro dérivé des cellules pluripotentes induites propres au patient. Ce tissu est morphologiquement et fonctionnellement représentatif de l’EPR in vivo et reproduit les défauts biochimiques de prénylation présents dans la CHM. De ce fait, il s’agit d’un modèle puissant pour évaluer l’efficacité de différentes approches thérapeutiques. Dans cette perspective, nous avons étudié une approche de thérapie génique par AAV2/5 afin de fournir le gène CHM dans le cas particulier de mutation faux sens et l’utilisation d’une translational read-through inducing drug (TRID) PTC124 pour le traitement des mutations non-sens.J’ai démontré pour la première fois la faisabilité de la thérapie génique pour la CHM dans le cas d’une expression résiduelle de REP1 muté, permettant de considérer les patients porteurs de mutations faux sens comme éligible à des essais cliniques de thérapie génique. De plus, j’ai démontré que l’efficacité de PTC124 peut être dépendante du type cellulaire. Dans l’ensemble, mes résultats suggèrent que l’efficacité de la molécule semblerait dépendre de la conservation de l’acide aminé muté et de sa localisation dans le domaine fonctionnel de REP1. Nous avons ainsi mis en valeur que le contexte génétique devrait être pris en compte dans la perspective d’une thérapie avec TRID pour cette maladie ainsi que d’autres pathologies.Pour conclure, j’ai souligné le potentiel prédictif du modèle d’EPR dérivé d’iPSc propre au patient pour évaluer de nouvelles approches thérapeutiques en l’absence d’un modèle animal approprié avant les essais cliniques. / Inherited retinal dystrophies (IRDs) are a class of genetically and clinically heterogeneous diseases, which are characterized by a progressive loss of vision. Choroideremia (CHM) is a chorioretinopathy, which accounts for ~3% of all IRDs. It is characterized by night blindness in childhood, followed by slow and progressive loss of the peripheral visual field. This results in legal blindness by the fourth to fifth decade of life. Generally, central vision is preserved till late in life. Genetically, the disease is caused by mutations in the CHM gene located on the X chromosome and encoding the Rab Escort Protein 1 (REP1). This protein is involved in the prenylation of Rab GTPasas, which regulate vesicular cell trafficking. Most of the disease-causing mutations are loss-of-function and the absence of REP1 leads to a Rab prenylation defect and subsequent degeneration of photoreceptors, retinal pigment epithelium (RPE) and underlying choroid. To date, an established therapy is not available for CHM, but the early diagnosis and its slow evolution provide a large therapeutic window, that renders this disease a good candidate for successful treatment.In order to palliate the lack of a pertinent animal model for testing novel disease therapies, we developed a human cellular model using patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSc)-derived RPE. This tissue is morphologically and functionally representative of the RPE in vivo, and reproduces the biochemical prenylation defect present in CHM. Therefore, it is a powerful model to evaluate the efficacy of different therapeutic approaches. Along this line, we investigated a gene augmentation approach, via AAV2/5 delivery of the CHM gene in the particular case of a CHM missense mutation, and the use of the translational read-through inducing drug (TRID) PTC124 for treating CHM nonsense mutations.I demonstrated for the first time the feasibility of gene augmentation therapy for CHM in the case of residual mutated REP1 expression, suggesting that missense-carrying patients can be considered for inclusion in clinical gene therapy trials. Moreover, I showed that the efficiency of PTC124 may be dependent on the cell type. In addition, my results suggest that drug efficiency likely depends on the conservation of the mutated amino acid residue and its localization with regards to REP1 functional domains. We thus highlight that genetic considerations should be taken into account when considering TRID therapy for this and other disorders.Taken together, I highlighted the predictive potential of the patient-specific iPSc-derived RPE model for screening of novel and varied therapeutic approaches in the absence of a suitable animal model prior to clinical translation.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge ou DMLA est une pathologie oculaire qui touche près d’un million de personnes en France, et représente la première cause de cécité légale dans les pays industrialisés. C’est une affection multifactorielle (environnement, génétique), dans laquelle les stress inflammatoires, métaboliques et oxydants interviennent et aboutissent à la mort des photorécepteurs. L’apparition des drusen (dépôts de matériel extracellulaire contenant de l’amyloïde-β (Aβ)), entre les cellules de l’épithélium pigmentaire de la rétine (EPR) et la membrane de Brush, représente un facteur de risque de développement de la DMLA. De plus, le 4-hydroxynonenal (4-HNE) est un marqueur de stress oxydant dans la rétine de patients de différentes pathologies dégénératives comme la DLMA. L’identification des mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les dégénérescences rétiniennes la pathogenèse de la DMLA constitue un enjeu de santé publique, puisqu’elle permettrait de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques anti-dégénératives.Le but de mon travail de thèse a été dans un premier temps de mieux comprendre le rôle de l’Aβ dans la dégénérescence rétinienne.Nous avons montré que l’Aβ induit une activation rapide des cellules microgliales, une gliose soutenue des cellules gliales de Müller (CGM), un œdème dans la rétine interne et une apoptose des photorécepteurs. La dégénérescence des photorécepteurs est en corrélation avec une activation soutenue de PERK, impliquée dans la voie pro-apoptotique de la réponse UPR. Par ailleurs la gliose des CGM est caractérisé par une délocalisation des canaux Kir4.1, une diminution de l’expression d’AQP4 et de la glutamine synthetase (GS), et une augmentation de l’expression des canaux Kir2.1 et du transporteur GLAST1, suggérant une dérégulation de l’homéostasie rétinienne contrôlée par ces protéines. Nous avons montré que l’inhibition de la réponse inflammatoire, par l’utilisation de l’indomethacine, un inhibiteur non stéroïdien de de la cyclooxygénase (COX) 2, réverse l’effet de l’Aβ sur l’expression des canaux Kir4.1 et sur GLAST1 mais pas celle de la GS et d’AQP4, suggérant un couplage partiel entre la gliose et la réponse inflammatoire dans notre modèle d’injection sous-rétinienne d’Aβ.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle du 4-HNE dans les CGM, un produit de peroxydation lipidique, qui est produit dans la rétine sous l’effet de l’Aβ. Nous avons observé qu’un stress oxydant unique et létal induit par le 4-HNE, entraîne la mort des CGM par apoptose dépendante de l’activation des caspases. L’utilisation d’antioxydants impliqués dans la régénération du glutathion (GSH), protège contre la mort des CGM. L’analyse du transcriptome des CGM soumises au 4-HNE a permis de mettre en évidence une réponse transcriptionnelle adaptative des CGM : une activation de la défense anti-oxydante, de la réponse UPR (unfolded protein response) au stress du réticulum endoplasmique, et un phénotype anti-inflammatoire. Par ailleurs, la surexpression de l’APP (amyloid protein precursor), dont l’expression du transcrit est augmentée sous l’effet du stress oxydant dans les CGM, protège ces cellules contre la mort induite par le 4-HNE. Cette protection est associée à une augmentation des capacités anti-oxydantes et à une activation de la voie de survie de la réponse UPR. L’ensemble de nos résultats montre un rôle de l’Aβ dans la dégénérescence des photorécepteurs et indique que le métabolisme de l’APP, ainsi que les voies de survie et pro-apoptotique de la réponse UPR pourraient constituer des cibles thérapeutiques contre la dégénérescence rétinienne induite par l’Aβ ou les stress oxydants. / Age related macular degeneration (AMD) is a leading cause of blindness in western countries and affects one million people in France. Multiple risk factors (genetics, environment) are involved in the pathogenesis of AMD. In addition, the AMD pathogenesis is strongly associated with chronic oxidative stress and inflammation that ultimately lead to photoreceptor death. AMD is characterized by the formation of drusen, extracellular deposits, including amyloid-β (Aβ), between the retinal pigmented epithelium and Bruch’s membrane. Moreover, 4-hydroxynonenal (4-HNE) is an oxidative stress marker of different retinal diseases including AMD. The determination of molecular and cell mechanisms involved in retinal degeneration and the pathogenesis of AMD is required in order to develop new therapeutic anti-degenerative approaches. The aim of our study was first to investigate the role of Aβ in retinal degeneration. We demonstrated that subretinal injection of Aβ induces an early activation of microglial cells, a sustained retinal Müller glial (RMG) cells gliosis, an oedema in the internal part of retina and photoreceptors apoptosis. The photoreceptors apoptosis was correlated with a sustained activation of PERK, a kinase implicated in the pro-apoptotic pathway of UPR (unfolded protein response). In addition, RMG gliosis has been characterized by a Kir4.1 channel redistribution, a down-regulation of AQP4 and glutamine synthetase (GS) expression, and an up-regulation of Kir2.1 channel and GLAST1 transporter expression, suggesting a dysregulation of the retinal homeostasis which is controlled by these proteins. The inhibition of the inflammatory response using indomethacin, a non-steroidal and non-specific cyclooxygenase (COX) 2 inhibitor, reversed Aβ-induced Kir4.1 channel redistribution and GLAST1 up-regulation but not GS and AQP4 down-regulation, suggesting a partial coupling between gliosis and inflammatory response in retinal degeneration after subretinal injection of Aβ in mice. The second part of our study aimed to investigate the effects on RMG cells of 4-HNE, a lipid peroxidation product that is up-regulated in retina after Aβ injection. We have shown that a single lethal oxidative stress using 4-HNE induces RMG cells apoptosis associated with caspase 3 and caspase 9 activation. Pre-treatment of RMG cells with anti-oxidative molecules involved in glutathione regeneration restored cell viability. Transcriptome analysis of RMG cells treated with 4-HNE showed an adaptive transcriptional response consisting in an activation of anti-oxidative stress cell defense, activation of UPR in response to endoplasmic reticulum stress and anti-inflammatory phenotype. APP (amyloid protein precursor) overexpression, which the transcript is up-regulated in RMG cells under oxidative stress, protects from 4-HNE-induced cell death. This protection is associated with an up-regulation of anti-oxidative cell defense and an activation of the pro-survival pathway of UPR. Our study pinpoints the role of Aβ in photoreceptors degeneration and suggests that targeting APP metabolism, pro and anti-apoptotic pathways of the UPR response may hel develop selective methods against retinal degeneration implicating Aβ and oxidative stress.

Extrazelulläre Purine und Pyrimidine sind wichtige Signalmoleküle, die über membranständige Rezeptoren, so genannte purinerge Rezeptoren ihre biologischen Effekte vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurden ATP-induzierte Antworten in den Stützzellen des olfaktorischen Epithels mit Hilfe der Calcium-Imaging-Technik charakterisiert.Die Applikation von ATP induzierte Zunahmen der intrazellulären Kalziumkonzentration ([Ca2+]i) sowohl in Anwesenheit, als auch in Abwesenheit von extrazellulärem Kalzium. Anders bei Anwendung von CPA, einem spezifischen Hemmstoff der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen bzw. endoplasmatischen Retikulums. In diesen Versuchen wurden die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen komplett aufgehoben. Das zeigt, dass die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen in Stützzellen größtenteils, wenn nicht vollständig, durch die Aktivierung von G-Protein gekoppelten P2Y-Rezeptoren ausgelöst werden. Die ermittelte Wirkpotenz purinerger Agonisten war UTP>ATP>ATPγS. Die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen konnten durch die purinergen Antagonisten PPADS und RB2 reduziert werden. Die hemmende Wirkung des purinergen Antagonisten Suramin blieb aus. Zusammen weisen die oben genannten Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass extrazelluläre Nukleotide die Stützzellen des olfaktorischen Epithels über P2Y2 / P2Y4-artige Rezeptoren aktivieren. Zusätzlich zeigten die Versuche mit dem Ektonukleotidase-Hemmstoff ARL 67156, dass im olfaktorischen Epithel von larvalen Xenopus laevis eine hohe Ektonukleotidasenaktivität herrscht.

Background & Aims: Celiac disease (CD) is a chronic inflammatory small-bowel enteropathy caused by permanent intolerance to gliadin in wheat gluten, and related proteins in ray and barley. It is disputed whether CD patients tolerate oats. The only treatment of CD is lifelong gluten-free diet (GFD). Only individuals that carry the HLA-DQ2 and/or DQ8 alleles, and eat gluten can develop CD. Dysbiosis in the gut microbiota is a suggested risk factor for CD. T cells in small intestinal mucosa, including intraepithelial lymphocytes (IELs), are known to be important in the pathogenesis of CD. In contrast, the role of intestinal epithelial cells (IECs) is poorly understood. In this thesis we investigated the role of IECs in the immune pathology of CD from duodenal mucosa of children with CD, clinical controls and treated CD. We also investigated the role of CD associated bacteria and oats supplemented GFD on the mucosal immune system. Results: A new CD-associated bacterium, Prevotella jejuni, was isolated and characterized. It is a saccharolytic and proteolytic anaerobe. More than 25 defense-related genes, including IRF1, SPINK4, ITLN1, OAS2, CIITA, HLA-DMB, HLA-DOB, PSMB9, TAP1, BTN3A1, and CX3CL1, were upregulated in IECs in active CD. In two in vitro models for intestinal epithelium, small intestine enteroids and T84 polarized tight monolayers, we showed that 70% of these genes were upregulated by interferon (IFN)-γ via the IRF1 pathway. IRF1 was also upregulated by the CD-associated bacteria P. jejuni and Actinomyces gravenitzii. IECs expressed the NLRP6/8 inflammasome yielding CASP1 and biologically active interleukin (IL)-18, which induces IFN-γ in IELs. P. jejuni bound the intestinal epithelial cell lines T84, Caco2, HT29, and INT407, while Lachnoanaerobaculum umeaense preferentially bound Caco2. P. jejuni caused decreased transepithelial resistance over tight monolayers, while L. umeaense caused an increase. P. jejuni upregulated mRNAs for the detoxification molecules CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, and TIPARP, the chemokines CX3CL1, CXCL1, and CXCL10, the sialyltranserase ST3GAL4, and the inflammation promoting protein S100A3 in tight monolayers. L. umeaense upregulated the chemokines CCL20 and CXCL10, and down-regulated TLR2. In a randomized, double-blinded intervention trial comparing two study-groups, standard GFD and oat-containing GFD, we found that mRNAs for several immune effector molecules and tight junction proteins were only reduced in patients receiving GFD, but not in a substantial fraction of patients on GFD with oats. The down-regulatory cytokines IL-10 and TGF-β1, the cytotoxicity-activating NK-receptors NKG2C and NKG2E, and the tight junction protein claudin-4 remained elevated in the study group on GFD with oats. Conclusions: IECs are far from inactive in CD. A key factor in the epithelial reaction in CD appears to be over-expression of IRF1 in IECs. Dual activation of IRF1 and IRF1-regulated genes, both directly by P. jejuni and indirectly by IFN-γ via the IL-18-inflammasome, would drastically enhance the inflammatory response and lead to the pathological situation seen in active CD. P. jejuni harms the intestinal epithelium, i.e., it is a likely risk factor for CD, while L. umeaense strengthen barrier function and local immunity, possibly acting as a protective. A fraction of CD patients should avoid oats in the diet. / Doctoral thesis

Les hormones thyroïdiennes (HTs) contrôlent plusieurs aspects du développement et de l’homéostasie intestinale. Elles agissent via des récepteurs nucléaires (TRs), facteurs de transcription modulés par la T3. Le paradigme est la métamorphose des amphibiens où elles sont responsables du remodelage du tube digestif et de l’émergence des cellules souches (Ishizuya-Oka et al, 2009). Des études précédentes ont montré que les HTs jouent un rôle fondamental en régulant la balance entre prolifération et différenciation des précurseurs épithéliaux murins. Du point de vue moléculaire, le récepteur nucléaire TRα1 contrôle plusieurs gènes du cycle cellulaire/prolifération ainsi que les voies de signalisation Wnt et Notch (rev. in Sirakov et al, 2104; Skah et al, 2017). En accord avec ces fonctions, l’expression ciblée de TRα1 dans l’épithélium intestinal (souris vil-TRα1) est suffisante pour induire des cryptes aberrantes, hyper-prolifératives et confère une sensibilité accrue au programme de tumorigénèse intestinale dépendant de la mutation dans le gène Apc (vil-TRα1/Apc+/1638N mice) (Kress et al, 2010). Le but de mon travail a été d’étudier le contrôle des cellules souches intestinales, dépendant des HTs/TRs. En effet, j’ai utilisé des souris Lgr5-EGFP-ires-CreERT2 permettant de traquer, trier et cibler les cellules souches (Barker et al, 2007) que j’ai croisées avec le modèle murin inductible au tamoxifène TRα1-LOF (Loss-of-function) (Quignodon et al, 2007). J’ai étudié les effets de l’altération de la voie HTs/TRα1 in vivo et dans des organoïdes intestinaux (ex vivo). Nos résultats indiquent que les HTs et la modulation de l’expression ou de l’activité de TRα1 affectent rapidement et fortement les cellules souches intestinales. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives dans l’étude des signaux dépendants des HTs/ TRα1 dans la physiopathologie des cellules souches intestinales / Thyroid hormones (THs) control several aspects of gut development and homeostasis. They act through the thyroid hormone nuclear receptors (TRs) that are T3-modulated transcription factors. The paradigm is the amphibian metamorphosis, where they are responsible for gut remodeling and emergence of the stem cells (Ishizuya-Oka et al, 2009). In previous studies we showed that THs play a fundamental role in regulating the balance between cell proliferation and cell differentiation of the murine intestinal epithelial precursors. From a molecular point of view the nuclear receptor TRα1 controls several proliferation/cell-cycle genes as well as the Wnt and Notch pathways (rev. in Sirakov et al, 2104; Skah et al, 2017). In accordance with these functions, targeted expression of TRα1 in the intestinal epithelium (vil-TRα1 mice) is sufficient to induce aberrant and hyper-proliferative crypts and confers increased susceptibility to Apc-mutation dependent intestinal tumorigenic program (vil-TRα1/Apc+/1638N mice) (Kress et al, 2010). The aim of my work was to study TH- and TRα1-dependent control of intestinal stem cells. Indeed, I used the Lgr5-EGFP-ires-CreERT2 mice enable tracking, sorting and targeting the stem cells (Barker et al, 2007) crossed with tamoxifen inducible TRα1 loss-of-function (Quignodon et al, 2007) mouse model (TRα1-LOF). I studied the effect of TH/TRα1 alteration in vivo and in intestinal organoids (ex vivo). In conclusion, our results indicate that HTs and modulating TRα1 expression or activity have a rapid and strong effect on the intestinal stem cells. This work opens a new perspective in the study of TH/TRα1-dependent signal on the physiopathology of the intestinal stem cells

L’augmentation de la prévalence mondiale des pathologies respiratoires et allergiques depuis la seconde moitié du 20ème siècle ainsi que l’émergence de symptômes spécifiques liés à des environnements clos dans les années soixante-dix, ont contribué à incriminer l’exposition à la pollution de l’air intérieur, en particulier aux composés organiques volatils (COV), comme facteur de risque dans l’apparition de ces pathologies. Les différentes approches épidémiologiques et expérimentales existantes ont permis de renseigner la composition, les sources, les déterminants et les effets de cette pollution en particulier sur l’appareil respiratoire humain, première voie d’exposition. A l’heure actuelle, les politiques expérimentales visent à substituer les expérimentations animales par le développement de méthodes alternatives, dont les méthodes in vitro, pour des raisons économiques et éthiques. Cependant, les modèles in vitro permettant l’étude des polluants environnementaux sur les cellules de l’arbre respiratoire sont encore peu développés. L’objectif de cette thèse est donc de proposer une approche expérimentale in vitro adaptée à l’étude d’impact des expositions de cellules épithéliales nasales humaines à des polluants environnementaux, en particulier les COV. La force de ce travail est d’avoir mis en place des méthodologies approchant les conditions réelles d’exposition, et de les avoir appliquées à des atmosphères d’environnement intérieur. Au terme de ces travaux, les acquis méthodologiques ont porté sur le modèle de cellules épithéliales nasales évoluant de la culture primaire à l’épithélium reconstitué, constitué de plusieurs types cellulaires, proche de l’épithélium respiratoire humain ; la génération d’atmosphère chargée en mono (formaldéhyde) ou multi-polluants (COV issus de peinture du commerce), et surtout son contrôle analytique, étape essentielle pour valider notre démarche expérimentale ; l’exposition répétée (jusqu’à 3 par semaine, de durée allant jusqu’à 2 heures, sur une période totale d’au moins un mois) en interface air-liquide, sans perte d’intégrité cellulaire, dynamique (sous flux d’air) pour les polluants gazeux, ou statique (sans flux) pour dépôt des particules ; l’étude morphologique et histologique de l’épithélium, développée comme marqueur d’effet complétant l’approche biologique centrée sur la réponse inflammatoire. L’exposition au formaldéhyde gazeux à une concentration proche des niveaux environnementaux intérieur, n’a pas eu d’effet sur les marqueurs de l’inflammation. Lors de l’exposition de l’épithélium reconstitué choisi (MucilAirTM, Société Epithelix) aux COV, une inhibition de la production spécifique d’IL-8 dépendant de la dose et du nombre d’exposition est observée, alors que l’intégrité tissulaire de l’épithélium n’est pas altérée. Le mécanisme de cette inhibition demande à être exploré plus avant. Pour autant, la réactivité du modèle, en matière de réaction inflammatoire et de changement de structure de l’épithélium a été validée lors d’expositions à un mélange environnemental complexe (particules de fumée de tabac). Notre approche in vitro innovante peut être élargie à l’étude d’autres atmosphères multi-polluants (chimiques, physiques et biologiques) afin d’être au plus proche des conditions réelles d’expositions, mais aussi à d’autres organes cibles. / Increase of respiratory diseases since the second half of the 20th century and emergence of specific symptoms related to closed environments contributed to suspect indoor air pollution, in particular volatile organic compounds (VOC), as a risk factor in the onset of these diseases. Epidemiological and experimental approaches are useful to determine its sources, determinants and effects on the human respiratory tract. Current experimental policies favor replacing animal experiments by alternative methods like in vitro methodologies, for economic and ethical reasons. Until now, in vitro models have been poorly developed to study environmental pollutants on respiratory cells. The objective of our work was to propose an experimental approach adapted to the study of the impact of environmental pollutants, particularly VOC, on human nasal epithelial cells. The strength of this work is to set up a methodology close to actual conditions of exposure, and apply them to indoor environment atmospheres. The methodology developed aimed to study reconstituted epithelium coming from primary culture of nasal cells, composed of several cell types, close to human respiratory epithelium; generate atmosphere charged with mono (formaldehyde) or multi-pollutant (VOC paint), and especially its analytical control (an essential step to validate our experimental approach); and repeated exposure (3 per week, until to two hours, over a total period of one month) at air-liquid interface without loss of cellular integrity, in dynamic conditions (under airflow) for gaseous pollutants, or static (without airflow) for particles. The setup of a morphological and histological approach allowed to complete biological effect (inflammatory response). Gaseous formaldehyde exposure at low concentration had no effect on inflammatory markers. VOC exposures on selected reconstituted epithelium (MucilAirTM, Epithelix Company) showed a decreased release of IL-8 depending on the dose and the number of exposure, without tissue damage. The mechanism of this effect needs to be further investigated. Responsiveness of the model, in terms of inflammation and structural changes of the epithelium was validated by assessing complex environmental mixture (tobacco smoke particles). Our innovative in vitro approach can be extended to the study of other multi-pollutant atmospheres (chemical, physical and biological) in order to get close to the actual conditions of exposure, but also by using other target organs.

An essential prerequisite for the existence of multi-cellular life is the organization of cells into tissues. In this thesis, we theoretically study how large-scale tissue properties can emerge from the collective behavior of individual cells. To this end, we focus on the properties of epithelial tissue, which is one of the major tissue types in animals. We study how rheological properties of epithelia emerge from cellular processes, and we develop a physical description for the dynamics of an epithelial cell polarity. We apply our theoretical studies to observations in the developing wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster. In order to study epithelial mechanics, we first develop a geometrical framework that rigorously describes the deformation of two-dimensional cellular networks. Our framework decomposes large-scale deformation into cellular contributions. For instance, we show how large-scale tissue shear decomposes into contributions by cell shape changes and into contributions by different kinds of topological transitions. We apply this framework in order to quantify the time-dependent deformation of the fruit fly wing, and to decompose it into cellular contributions. We also use this framework as a basis to study large-scale rheological properties of epithelia and their dependence on cellular fluctuations. To this end, we represent epithelial tissues by a vertex model, which describes cells as elastic polygons. We extend the vertex model by introducing fluctuations on the cellular scale, and we develop a method to perform perpetual simple shear simulations. Analyzing the steady state of such simple shear simulations, we find that the rheological behavior of vertex model tissue depends on the fluctuation amplitude. For small fluctuation amplitude, it behaves like a plastic material, and for high fluctuation amplitude, it behaves like a visco-elastic fluid. In addition to analyzing mechanical properties, we study the reorientation of an epithelial cell polarity. To this end, we develop a simple hydrodynamic description for polarity reorientation. In particular, we account for polarity reorientation by tissue shear, by another polarity field, and by local polarity alignment. Furthermore, we develop methods to quantify polarity patterns based on microscopical images of the fly wing. We find that our hydrodynamic description does not only account for polarity reorientation in wild type fly wings. Moreover, it is for the first time possible to also account for the observed polarity patterns in a number of genetically altered flies.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography / Eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz mehrzelligen Lebens ist, dass sich einzelne Zellen sinnvoll zu Geweben ergänzen können. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie großskalige Eigenschaften von Geweben aus dem kollektiven Verhalten einzelner Zellen hervorgehen. Dazu konzentrieren wir uns auf Epitheliengewebe, welches eine der Grundgewebearten in Tieren darstellt. Wir stellen theoretische Untersuchungen zu rheologischen Eigenschaften und zu zellulärer Polarität von Epithelien an. Diese theoretischen Untersuchungen vergleichen wir mit experimentellen Beobachtungen am sich entwickelnden Flügel der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Um die Mechanik von Epithelien zu untersuchen, entwickeln wir zunächst eine geometrische Beschreibung für die Verformung von zweidimensionalen zellulären Netzwerken. Unsere Beschreibung zerlegt die mittlere Verformung des gesamten Netzwerks in zelluläre Beitrage. Zum Beispiel wird eine Scherverformung des gesamten Netzwerks auf der zellulären Ebene exakt repräsentiert: einerseits durch die Verformung einzelner Zellen und andererseits durch topologische Veränderungen des zellulären Netzwerks. Mit Hilfe dieser Beschreibung quantifizieren wir die Verformung des Fliegenflügels während des Puppenstadiums. Des Weiteren führen wir die Verformung des Flügels auf ihre zellulären Beiträge zurück. Wir nutzen diese Beschreibung auch als Ausgangspunkt, um effektive rheologische Eigenschaften von Epithelien in Abhängigkeit von zellulären Fluktuationen zu untersuchen. Dazu simulieren wir Epithelgewebe mittels eines Vertex Modells, welches einzelne Zellen als elastische Polygone abstrahiert. Wir erweitern dieses Vertex Modell um zelluläre Fluktuationen und um die Möglichkeit, Schersimulationen beliebiger Dauer durchzuführen. Die Analyse des stationären Zustands dieser Simulationen ergibt plastisches Verhalten bei kleiner Fluktuationsamplitude und visko-elastisches Verhalten bei großer Fluktuationsamplitude. Neben mechanischen Eigenschaften untersuchen wir auch die Umorientierung einer Zellpolarität in Epithelien. Dazu entwickeln wir eine einfache hydrodynamische Beschreibung für die Umorientierung eines Polaritätsfeldes. Wir berücksichtigen dabei insbesondere Effekte durch Scherung, durch ein anderes Polaritätsfeld und durch einen lokalen Gleichrichtungseffekt. Um unsere theoretische Beschreibung mit experimentellen Daten zu vergleichen, entwickeln wir Methoden um Polaritätsmuster im Fliegenflügel zu quantifizieren. Schließlich stellen wir fest, dass unsere hydrodynamische Beschreibung in der Tat beobachtete Polaritätsmuster reproduziert. Das gilt nicht nur im Wildtypen, sondern auch in genetisch veränderten Tieren.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography

L’ostéopétrose est une pathologie osseuse caractérisée par des os denses et fragiles principalement due à l’incapacité des ostéoclastes, cellules d’origine hématopoïétique, à résorber le tissu osseux. La forme la plus sévère de cette maladie génétique est l’ostéopétrose autosomale récessive infantile due à une mutation du gène Ostm1 (Protéine transmembranaire de type 1 associée à l'ostéopétrose). Le gène Ostm1 est exprimé principalement dans la lignée des cellules hématopoïétiques, mais aussi dans le système nerveux central et les mélanocytes. Cette mutation développe plusieurs symptômes comme l’apparition d’une couleur de pelage gris chez la souris, une anémie sévère, une sensibilité aux infections et des troubles neuronaux chez l’homme et la souris. Afin de mieux comprendre cette maladie, nous avons généré des souris transgéniques sur un fond génétique grey-lethal (gl) dans lesquelles l’expression d’Ostm1 est ciblée à un tissu spécifique. Nous avons caractérisé le gène Ostm1 responsable de la mutation ostéopétrotique spontanée gl chez la souris. La complémentation fonctionnelle des défauts hématopoïétiques a été obtenue dans les souris transgéniques PU.1-Ostm1-gl/gl mais ces souris meurent prématurément avec une neurodegénérescence sévère. Cette perte cellulaire affecte le système nerveux central dans son ensemble incluant la rétine. Ce mémoire porte sur le but d’établir le profil d’expression du gène Ostm1 dans la rétine puisque la perte du gène entraine une dégénérescence rétinienne. Pour définir le rôle d’Ostm1 dans la rétine, nous avons caractérisé son expression dans ce tissu (organe). Des analyses PCR, démontrent une expression d’Ostm1 dans l’œil total et enrichie dans la neurorétine et dans l’épithélium pigmentée (RPE). Après avoir caractérisé avec des marqueurs protéiques spécifiques les sous populations cellulaires de la rétine, in situ hybridation détecte l’expression préférentielle d’Ostm1 dans l’épithélium pigmentée (RPE) et la couche nucléaire interne (INL). Basé sur ce profil d’expression, nous avons induit dans un premier temps la perte de fonction d’Ostm1 spécifiquement dans le RPE. Dans un premier temps nous avons vérifié que l’expression de la recombinasse Cre seule n’est pas toxique. Nous avons ensuite induit la perte d’expression d’Ostm1 dans ces cellules et démontré que la perte d’Ostm1 dans le RPE se traduit par une perte graduelle des photorécepteurs avec l’âge. Ces résultats préliminaires suggèrent que l’expression post-natale d’Ostm1 dans le RPE est essentielle au maintien de l’homéostasie des photorécepteurs dans la rétine. / Osteopetrosis is a disease characterized by high bone density and fragility principally caused by impaired activity of osteoclasts, which are cells that reside in bone and dissolve bone tissue. The most severe form of osteopetrosis is infantile autosomal recessive osteopetrosis (ARO) which is caused by mutations in genes Ostm1. As Ostm1(osteopetrosis-associated transmembrane protein 1) is expressed in multiple hematopoietic stem cell lineages, melanocytes and the nervous system, mutations in Ostm1 can cause coat color change in mice as well as bone fragility, anemia, infections and neuronal disorders in humans and mice. To further the understanding of these conditions linked with Ostm1 loss, multiple tissue specific Ostm1 transgenic mice over an Ostm1 knockout (gl/gl) background were constructed. To better understand this disease, we characterized the Ostm1 gene responsible for the spontaneous osteopetrotic mutation grey- lethal (gl) in mice. Functional complementation of hematopoietic defects was obtained in PU.1-Ostm1-gl/gl transgenic mice, but these mice die prematurely with severe neurodegeneration. This indicates that Ostm1 has a crucial role in neuronal and retinal health. As a result, we wished to establish an expression profile of Ostm1 in all the layers of the retina to further decipher the role of Ostm1 in the retina. Polymerase chain reaction (PCR) of reverse-transcribed mRNA of separated sections of the eye demonstrate that Ostm1 is expressed in the whole eye, neuroretina and retinal pigmented epithelium (RPE). Further specific expression analyses were performed by in- situ hybridization which showed that Ostm1 is expressed specifically in the inner nuclear layer of the neuroretina as well as in the RPE. Based on this tissue expression pattern, we have constructed, for the first time, an RPE specific knockdown of Ostm1 expression and verified that the expression of Cre recombinase in this tissue is not toxic. The reduction of Ostm1 in the RPE of the eye resulted in gradual loss of photoreceptors of the retina. These preliminary results suggest that the post-natal expression of Ostm1 in the RPE is essential for maintaining the homeostasis of the photoreceptors of the retina.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Einflussnahme von konjugierten Linolsäuren (CLA) und strukturverwandten Fettsäuren auf Pansenepithelzellen (PEZ) in Kultur. Die in-vitro Untersuchungen mit primär kultivierten PEZ vom Schaf haben gezeigt, dass eine 48-stündige Inkubation mit CLA C18:2 cis-9, trans-11 (c9t11) und CLA C18:2 trans-10, cis-12 (t10c12) sowie Linolsäure, Ölsäure und trans-Vaccensäure (TVA) zu Veränderungen im Fettsäuremuster der Zellen sowie in der Expression der mRNA verschiedener Proteine führte. Aus den Veränderungen im Fettsäuremuster wurde die Aufnahme sowie die Metabolisierung der supplementierten Fettsäuren abgeleitet. Als wesentlicher Metabolit der TVA wurde die c9t11 identifiziert. Mit dem Nachweis der Stearoyl-CoA-Desaturase (SCD) -mRNA in den PEZ sowie im nativen Gewebe konnte so die endogene CLA-Synthese in den PEZ bestätigt werden. Analysiert wurden außerdem mittels quantitativer rt-PCR die Expression der SCD-mRNA und die mRNA von zwei Transportproteinen, den Monocarboxylat-Transportern (MCT) 1 und 4. Von beiden ist bekannt, dass sie in den Transport kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) involviert sind. Die Inkubation mit den einzelnen Fettsäuren führte einheitlich zur Abnahme der SCD-mRNA Expression sowie zu einem verminderten Gehalt der Hauptprodukte der SCD, der C16:1 cis-9 und der C18:1 cis-9. Bezüglich der MCT1 und 4 mRNA-Expression wurde in der Regel eine Heraufregulierung nach Zugabe der Fettsäuren beobachtet. Des Weiteren wurden regulative Einflüsse von PPARα auf die MCTs und die SCD und von PPARγ auf den MCT1 und die SCD nach c9t11-Inkubation mit entsprechenden Antagonisten-Versuchen festgestellt. Die Studien beleuchten somit grundlegende Mechanismen des Stoffwechsels von langkettigen ungesättigten Fettsäuren in PEZ und deren Einflussnahme auf Transkriptionsfaktoren und auf spezifische, für den Wiederkäuer bedeutende Transportproteine für SCFA. Die funktionelle Relevanz dieser Ergebnisse für den Pansen und den Wiederkäuer aber auch für andere Gewebe und Species muss in weiteren Studien geklärt werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 3 1 Einleitung 5 Allgemein 5 1.1 CLA-Nomenklatur 6 1.2 Bildung von CLAs und deren Vorkommen 7 1.3 CLA-Supplementierung beim Rind 9 1.4 Zu CLAs strukturverwandte Fettsäuren im Pansen 10 1.5 Potenzielle Wirkungen von CLAs und strukturverwandten Fettsäuren auf das Pansenepithel 11 1.5.1 Aufbau und Bedeutung des Pansenepithels 11 1.5.2 Resorption von langkettigen Fettsäuren über das Pansenepithel 11 1.5.3 Veränderungen der Fettsäurezusammensetzung nach Supplementierung 11 1.5.3.1 Metabolisierung 12 1.5.3.2 SCD und die endogene Synthese von CLA c9t11 13 1.5.4 CLA-Targets im Pansenepithel 15 1.5.4.1 SCD 15 1.5.4.2 Monocarboxylattransporter 16 1.5.4.3 PPAR als Transkriptionsfaktor für die SCD und die MCTs 19 2 Zielstellung 21 3 Originalarbeit 22 4 Ergänzung zur Originalarbeit 43 4.1 Nachweis von SCD-mRNA im nativen Pansenepithel des Schafes 43 Zusammenfassung der Arbeit 44 Literaturverzeichnis 49 Anhang (Supplemental Material) 59 Erklärung zum Eigenanteil der Dissertationsschrift 67 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 69 Publikationen und Vorträge im Rahmen der Dissertation 70

RAGE (receptor for advanved glycation endproducts) was identified on endothelial cells as binding partner for AGE-modified molecules. The term "Advanced glycation endproducts" involves a number of structurally diverse molecules, which derive from multiple complex rearrangements of reducing sugars with free amino-groups of proteins. They evolve during food production and also in vivo during ageing and to an accelerated degree in diabetes, where AGEs cause receptor-mediated cellular perturbations. Due to the pathological relevance the aim of this thesis was to generate a "biosensor" for AGEs. To this end, the membrane-expressed receptor (flRAGE) as well as soluble RAGE (sRAGE) were expressed in mammalian cells and investigated in numerous binding studies. These did not reveal a specific interaction of AGE-modified ligands with RAGE. In addition, the expression of RAGE on endothelial cells, as described in the literature, could not be followed neither with the help of newly generated monoclonal anti-RAGE antibodies, nor in quantitative "real time" RT-PCR analysis. These results cast doubts on the meaning of RAGE as a proinflammatory receptor in AGE-mediated pathologies and on the adequacy of RAGE for the "biosensor". At the same time the question concerning a physiological role of the receptor arose. RAGE-expression was analysed in different healthy human tissues by "real time" RT-PCR, which revealed an almost selective expression in lung tissue. An important indication for a possible physiological function of RAGE in lung provided the selective localization of RAGE on alveolar epithelial type I cells as demonstrated in frozen lung sections as well as in in vitro cultivated lung cells. RAGE could be identified as a novel, highly specific marker for the thin, expanded AT I cell, which form part of the air-blood-barrier. In the following, RAGE was found to be an interaction partner for collagen IV, a major component of the alveolar basal lamina. Membrane-expressed RAGE did not only strengthened adherence of cells but also induced cell spreading on collagen IV-coated surfaces. This preferential interaction of RAGE with collagen IV could substantially contribute to the functional morphology of AT I cells in vivo, thereby ensuring an effective bidirectional gas-exchange. The results of this thesis expose a novel, so far unnoticed aspect of the biology of RAGE, which presumably contributes to the phenotypic characteristic und function of normal human lung tissue. / RAGE (receptor for advanced glycation endproducts) wurde als Interaktionspartner auf Endothelzellen für AGE-modifizierte Moleküle identifiziert. Unter den "Advanced glycation endproducts" werden eine Vielzahl strukturell unterschiedlicher Moleküle zusammengefasst, die durch mehrstufige komplexe Umlagerungen zwischen reduzierenden Zuckern und freien Aminogruppen von Proteinen entstehen. Sie entstehen sowohl bei der Herstellung von Lebensmitteln, als auch in vivo während des Alterns und in erhöhtem Maß bei Diabetes, wobei sie Rezeptor-vermittelt Zellstörungen hervorrufen. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst aufgrund der pathologischen Relevanz eine Strategie zur Konzeption eines "Biosensors" für AGEs verfolgt. Hierfür wurde sowohl der membranständige Rezeptor (flRAGE) als auch löslicher RAGE (sRAGE) in Säugerzellen exprimiert und in zahlreichen Bindungs- und Funktionsanalysen getestet. Hierbei konnte keine spezifische Interaktion der AGE-modifizierten Moleküle mit RAGE nachgewiesen werden. Auch die in der Literatur beschriebene Expression von RAGE auf Endothelzellen konnte mit Hilfe neu generierter monoklonaler Antikörper, sowie in quantitativen "real time" RT-PCR-Analysen nicht nachvollzogen werden. Diese Ergebnisse warfen Zweifel an der grundlegenden Bedeutung von RAGE als proinflammatorischer Rezeptor in AGE-bedingten Krankheiten auf und stellten damit auch dessen Eignung für einen AGE-Biosensor in Frage. Gleichzeitig warf diese Skepsis die Frage nach einer möglichen physiologischen Funktion dieses Rezeptors auf. Eine vergleichende Analyse der RAGE-Expression in verschiedenen gesunden Geweben mittels "real time" RT-PCR ergab eine nahezu selektive Expression in Lungengewebe. Wichtige Anhaltspunkte für die Funktion von RAGE in der Lunge ergaben sich aus der selektiven Lokalisation des Rezeptors auf Alveolarepithelzellen Typ I (AT I) sowohl in Gefrierschnitten der Lunge als auch nach in vitro-Kultur von Lungenzellen. RAGE konnte als neuer, hoch spezifischer Marker für die lang gestreckten AT 1 Zellen, die einen Teil der Blut-Luft-Schranke bilden, definiert werden. In folgenden Funktionsanalysen konnte RAGE als spezifischer Interaktionspartner für Kollagen IV, einer Hauptkomponente der Alveolar-Basalmembran, identifiziert werden. Membranständiger RAGE verstärkte nicht nur die Adhärenz von Zellen an Kollagen IV-beschichtete Oberflächen, er induzierte auch Zell-"Spreading". Dies gab Anlass für die Vermutung, dass die beobachtete präferentielle Interaktion von RAGE mit Kollagen IV maßgeblich zu der funktionellen Morphologie der AT I Zellen in vivo beitragen könnte, die die Voraussetzung für einen effektiven bidirektionalen Gasaustausch darstellt. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit wurde ein neuer, bisher unbeachteter Aspekt der Biologie des RAGE aufgedeckt, der vermutlich entscheidend zur phänotypischen Ausprägung und Funktion des normalen humanen Lungengewebes beiträgt.