Virus-infected cells can regulate non-permissive bystander cells, but the precise mechanisms remain incompletely understood. Here we report that this process can be mediated by transfer of viral RNA-loaded exosomes shed from infected cells to myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), which in turn regulate the differentiation and function of T cells during viral infection. Specifically, we demonstrated that patients with chronic hepatitis C virus (HCV) infection exhibited significant increases in T follicular regulatory (TFR) cells and decreases in T follicular helper (TFH) cells. These MDSC-mediated T-cell dysregulations resulted in an increased ratio of TFR/TFH and IL-10 production in peripheral blood. Specifically, co-culture of MDSCs derived from HCV patients with healthy peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) induced expansion of TFR, whereas depletion of MDSCs from PBMCs of HCV patients reduced the increases in TFR frequency and IL-10 production, and promoted the differentiation of IFN-γ-producing TFH cells. Importantly, we found that exosomes isolated from the plasma of HCV patients and supernatant of HCV-infected hepatocytes could drive monocytic myeloid cell differentiation into MDSCs. These exosomes were enriched in tetraspanins, such as CD63 and CD81, and contained HCV RNA, but exosomes isolated from patients with antiviral treatment contained no HCV RNA and could not induce MDSC differentiation. Notably, these HCV RNA-containing exosomes (HCV-Exo) were sufficient to induce MDSCs. Furthermore, incubation of healthy myeloid cells with these HCV-Exo inhibited the expression of miR−124, whereas reconstitution of PBMCs with miR−124 abolished the effects of HCV−Exo on MDSC induction. Taken together, these results indicate that HCV-associated exosomes can transfer immunomodulatory viral RNA from infected cells to neighboring immune cells and trigger MDSC expansion, which subsequently promotes TFR differentiation and inhibits TFH function. This study reveals a previously unrecognized path that represents a novel mechanism of immune dysregulation during chronic viral infection.

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Neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease and Alzheimer's disease are linked to mitochondrial dysfunction and the underexpression of TOM40, a protein with chaperone-like qualities that is responsible for transporting precursor proteins into the mitochondria. Overexpression of TOM40 is reported to partially restore mitochondrial dysfunction and decrease the accumulation of neurotoxic aggregates of α-synuclein. Our goal is to develop an effective method for delivery of TOM40 protein to the brain. Previous studies have used lentiviruses to carry TOM40 into the hippocampus of α-synuclein transgenic mice. The disadvantage of lentiviral transfection is the random insertions of the target gene into the host genome, which could cause toxic effects. Synthetic phospholipid vesicles containing TOM40 were considered as an alternative delivery method, but these "liposomes" elicit not only toxicity, but also an immune response. Thus, development of a safer delivery method of TOM40 protein is needed. We investigated exosomes, which are extracellular vesicles originating from multivesicular endosomes filled with protein, lipid, or RNA cargoes for cell-cell communication. Since exosomes are created from host cells, they are non-immunogenic and may be a more desirable method. Expression constructs have been made for the production of TOM40 protein within or on the surface of exosomes. In order to target the delivery of TOM40 to the brain, we attached peptides to the surface of the exosomes, which specifically interact with receptors on neural cells. We attempted to confirm the functionality of the expression constructs through immunocytochemistry followed by flow cytometry and Western blotting.

L’immunopathogenèse de l’infection au VIH-1 est principalement causée par la déplétion des LT CD4 (lymphocytes T-CD4). Cette mort des LT CD4 dépend de plusieurs facteurs comme la lyse des LT CD4 infectés et la présence de vésicules extracellulaires et d’exosomes libérées par les cellules dendritiques et les LT CD4 infectés au VIH-1. L’analyse protéomique des exosomes issus des cellules dendritiques mises en culture avec le VIH-1 a révélé la présence de molécules pro-apoptotiques comme le Dap-3 (Death Associated Protein 3). Nous avons proposé comme hypothèse que le Dap-3 puisse être contenu dans d’autres types de vésicules extracellulaires et que le Dap-3 vésiculaire contribue à la déplétion des LT CD4. Après avoir optimisé l’immunobuvardage avec l’anti-Dap-3, nous avons déterminé la présence de Dap-3 dans les vésicules extracellulaires issues des cellules RAJI-CD4-DCIR infectées au VIH-1. L’utilisation de gradients de vélocité nous a permis d’observer la présence de Dap-3 dans les fractions du gradient contenant les exosomes issus des cellules RAJI-CD4-DCIR infectées, mais également dans d’autres fractions du gradient de vélocité encore non caractérisées. Chez les patients, nous avons montré une hétérogénéité des vésicules extracellulaires dans les fractions du gradient de vélocité issues des plasmas des patients VIH-1+. Ces résultats indiquent la présence de plusieurs populations de vésicules extracellulaires séparées par la méthode du gradient de vélocité. Enfin, la transfection des cellules RAJI-CD4-DCIR et des cellules dendritiques a été mise au point avec les ARN anti-sens de Dap-3 afin de produire éventuellement des vésicules Dap-3 négatives. Ce projet de recherche aura permis de valider les outils nécessaires à la poursuite de l’étude du rôle de Dap-3 dans la pathogenèse de l’infection au VIH-1.

Les vésicules extracellulaires (VE) jouent un rôle de communication intercellulaire pouvant réguler le système immunitaire. Les VE sont composées de différentes populations que l'on retrouve dans tous les fluides biologiques et constituent des biomarqueurs ainsi que des outils thérapeutiques dans diverses pathologies comme les cancers. Une étude dans notre laboratoire a révélé le potentiel de biomarqueur des vésicules extracellulaires plasmatiques (VEsp) chez des patients infectés par le virus de l'immunodéficience humaine de type-1 (VIH-1). Cette étude a montré un enrichissement des VE acétylcholinestérase positive (AChE+) et des marqueurs protéiques de la population des exosomes chez les patients infectés. Nous avons proposé comme hypothèse que la population de VEsp AChE+ serait des exosomes et que cette population constituerait un meilleur biomarqueur de l'infection par le VIH-1 que l'ensemble des VE. Les VEsp AChE+ d'une nouvelle cohorte de patients ont été caractérisées. Dans un premier temps, la purification des VEsp AChE+ a été optimisée afin de séparer les grosses vésicules des petites. Dans un deuxième temps nous avons validé que la population de VEsp AChE+ est une population homogène et spécifique dont le potentiel de biomarqueur de l'infection a été validé. Pour terminer la caractérisation de cette population, elle a été séparée dans un gradient de vélocité à l'iodixanol afin de valider que cette population de vésicules était des exosomes. Ce projet a permis de valider que la population d'exosomes AChE+ purifiées et caractérisées dans une cohorte de patients atteints du VIH-1+, représente un biomarqueur de l'évolution de l'infection par le VIH-1.

La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie génétique qui résulte de diverses mutations dans le gène DMD, codant pour la protéine dystrophine. 70% des patients ont une délétion d'exons ou de parties d'exons provoquant un changement dans le cadre de lecture, résultant en l'apparition d'un codon stop et en l'absence de la protéine dystrophine. Plusieurs traitements potentiels ont été explorés dans les dernières années pour cette maladie, dont le système CRISPR-Cas9, un outil génétique permettant d'éliminer un segment d'ADN à l'aide de la protéine nucléase Cas9 et de deux guides d'ARN ciblant des séquences précises d'ADN. Le plus grand défi avec l'utilisation de cette technologie est sa livraison in vivo. Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires lipidiques qui jouent un rôle dans la communication intercellulaire et sont retrouvées dans tous les biofluides chez les mammifères. Elles pourraient donc être une alternative intéressante pour la livraison du système CRISPR-Cas9. J'ai participé à des travaux de purification de vésicules extracellulaires de sérum par chromatographie par exclusion de taille. Ces vésicules extracellulaires ont été chargées avec la protéine Cas9 et des guides ARN, puis, des injections intramusculaires ont été effectuées dans le Tibialis anterior de trois lignées de souris (Ai9, RAG-mdx et mdx/hDMD) pour établir l'efficacité du traitement. Les résultats ont montré que les vésicules extracellulaires chargées avec la Cas9 et des guides d'ARN provoquent une édition de l'ADN efficace dans le Tibialis anterior des trois lignées de souris utilisées et la restauration de l'expression de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires du Tibialis anterior des souris RAG-mdx, modèle pour la dystrophie musculaire de Duchenne. Le traitement a ensuite été modifié pour permettre le ciblage des vésicules extracellulaires aux organes affectés par la dystrophie musculaire de Duchenne, soit le cœur et les muscles squelettiques. Des peptides de ciblage ont été sélectionnés dans la littérature et insérés dans la membrane des vésicules extracellulaires marquées de façon fluorescente à l'aide d'un segment lipidique stéaryl. Les résultats de l'expérience effectuée avec les vésicules extracellulaires ciblées n'ont pas été concluants en raison d'un marquage mal adapté des vésicules injectées, mais de futures expériences permettront d'élucider leur efficacité. L'ajustement du traitement pour permettre une injection systémique rejoignant le cœur et les muscles squelettiques est indispensable à l'application de celui-ci à la clinique. / Duchenne muscular dystrophy is a genetic disease that affects one in 3500 boys and results from mutations in the DMD gene, which codes for dystrophin protein. 70% of patients have an exon deletion, which results in a shift in the reading frame, the apparition of a stop codon, and the absence of the dystrophin protein. Many different potential treatments have been explored for Duchenne muscular dystrophy, including the CRISPRCas9 system. This technology allows for the modification of genomic DNA through a Cas9 nuclease and two guide RNAs designed to target a specific DNA sequence. The biggest challenge with using the CRISPR system is delivery. The classic vectors for CRISPR, such as AAV, can cause many adverse effects like immunological responses. Extracellular vesicles are membranous particles that play a role in intercellular communication and are found in all mammalian biofluids. They are thus an interesting alternative for the delivery of the Cas9 protein and its guide RNAs. I have participated in a research project aiming to purify serum extracellular vesicles by size-exclusion chromatography and to load them with Cas9 and two guide RNAs. These extracellular vesicles were then injected intramuscularly into the Tibialis anterior muscles of three mouse strains (Ai9, RAG-mdx and mdx/hDMD) to assess treatment efficiency. The injection of Cas9 and guide RNA-loaded extracellular vesicles produced efficient gene editing as well as dystrophin expression restauration. To modify the treatment for systemic injection, targeting peptides were added to EV membrane through a lipid stearyl segment. This was done to target the extracellular vesicles to Duchenne muscular dystrophy-affected organs: heart and skeletal muscles. Results of the targeted-extracellular vesicle experiment were inconclusive, however, with more experiments, the efficacy of the targeting peptides should be determinable. It is essential to adjust this treatment to allow for targeted systemic delivery for it to be applicable to the clinic.

Malignant melanoma is an invasive type of skin cancer with high mortality rates, if not detected promptly. The mortality trends are generally linked to multiple dysplastic nevi, positive family history, genetic susceptibility and phenotypic features including fair skin, freckles, numerous atypical nevi, light coloured hair and eyes, inability to tan and prolonged exposure to ultraviolet radiation B (UVB). To date, the major anti-cancer therapeutics for melanoma include surgery, chemotherapy, radiotherapy, and immunotherapy. Recently, extracellular vesicles, especially exosomes, have been highlighted for their therapeutic benefits in numerous chronic diseases such as cancer. Exosomes display multifunctional properties, including inhibition of cancer cell proliferation and initiation of apoptosis. Hence, this study aimed to evaluate the genotoxicity and cytotoxicity of cord blood stem cell-derived (CBSC) exosomes on 6 samples of peripheral blood lymphocytes taken from healthy individuals and melanoma patients and on 3 samples of melanoma (CHL-1) cells. The limited number of samples was due to the time limitations and restrictions that were in place due to the COVID-19 pandemic. In this in vitro study, the optimal concentration of CBSC-derived exosomes (0, 100, 200, 300, 400 μg/ml protein at 24, 48 and 72h treatments) was confirmed by the CCK-8 assay. CBSC exosomes (300 μg/ml) were used to treat lymphocytes and CHL-1 cells in the Comet assay and evaluated using the real-time polymerase chain reaction (qPCR) and Western blotting (WB). The data of the CCK-8 and Comet assays illustrated that exosomes exerted genotoxic effects on CHL-1 cells (CCK-8 assay, ****p < 0.0001), (Comet assay, *p <0.05, **p < 0.01). However, the data portraying a reduction in the viability of lymphocytes needs further investigation as the number of samples was limited, therefore, further clarification is required. Importantly, no significant adverse effect was observed in healthy lymphocytes when treated with the same exosomes (p = ns). When further challenged with UVA+B radiation, the exosomes did not induce any genoprotective effect on ROS-induced CHL-1 cells, compared to the positive control (p = ns). Our data insinuates that the damage might be caused by inducing apoptosis. The anti-tumourigenic potential of exosomes was observed by activating the p53-mediated apoptotic pathway in CHL-1 cells, up-regulating p53, p21 and caspase 3 and down-regulating BCL-2 at mRNA (**p < 0.01, ***p <0.001, ****p <0.0001) and protein levels (*p < 0.05, **p <0.01). The potency of CBSC exosomes in inhibiting cancer progression in CHL-1 cells whilst causing no harm to the healthy lymphocytes makes it an ideal potential candidate for anti-cancer therapy. More samples are required to evaluate the therapeutic effect of exosomes on lymphocytes from cancer patients to fully understand their mechanism of action.

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<p>PTEN is a potent tumour suppressor protein. Aggressive and metastatic prostate cancer (PC) is associated with a reduction or loss of PTEN expression. PTEN reduction often occurs without gene mutations, and its downregulation is not fully understood. Herein, we show that PTEN is incorporated in the cargo of exosomes derived from cancer cells, and this is an exclusive characteristic of cancer cells; normal cells do not incorporate PTEN in their exosomes. We found that this process is affected by the expression of oncogenes, with activation of oncogenic molecules leading to increased PTEN incorporation into exosomes. PTEN expressed in exosomes can be transferred to other cells that have a reduction or loss of PTEN expression. The transferred PTEN is active, as cells showed a substantial increase in phosphatase activity upon treatment with PTEN-bearing exosomes. PTEN transferred through exosomes is also competent to confer tumour-suppression activity to acceptor cells. After incubation with PTEN-bearing exosomes, recipient cells exhibited decreased AKT phosphorylation, changes in the expression of cell cycle mediators indicating cell cycle arrest, and decreased proliferation. These data suggest that exosomal PTEN may be able to compensate for PTEN loss in cancer cells, by transferring the active protein to cancer cells where it can then perform its role as a tumour suppressor.</p> / Master of Science (MSc)