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

Les canaux ioniques de détection d'acide (ASIC) font partie de la famille des canaux ioniques degenerin-épithéliaux Na⁺ (DEG-ENaC), dont les principaux ligands connus sont les protons. Les canaux ASIC sont préférentiellement perméables au sodium (Na⁺) et, dans une moindre mesure, à d'autres cations, tels que le potassium (K⁺), le lithium (Li⁺) et le proton (H⁺). Les sous-unités ASIC peuvent être combinées pour donner des canaux homotrimaires ou hétérotrimaires avec différents seuils d'activation activation par l'acidite, ce qui conduit à une sensibilité distincte au pH des canaux ASIC en fonction de leur composition, ce qui fait d'eux des détecteurs de pH polyvalents. Quatre gènes (Asic1-4) exprimés dans tout le système nerveux, codant pour au moins 6 sous-unités (ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b, ASIC3 et ASIC4) par épissage alternatif, ont été découverts chez les rongeurs et les humains. Plus précisément, au niveau des ganglions rachidiens du système nerveux périphérique, nous avons signalé que les ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b et ASIC3 jouent un rôle important dans plusieurs fonctions dont la nociception. Même si des études antérieures ont exploré l'implication de ces canaux dans plusieurs fonctions somatosensorielles, une analyse détaillée de leur mode d'expression dans des populations distinctes de neurones sensoriels primaires n'a pas été réalisée à ce jour en raison de la disponibilité limitée d'anticorps spécifiques commerciaux. La première étude, présentée au chapitre 1, visait à révéler le profil d'expression complet des cinq sous-unités ASIC dans trois populations différentes de neurones sensoriels primaires. Une approche d'hybridation in situ (RNAscope) a été utilisée pour cibler les sous-unités ASIC, combinée à l'immunohistochimie pour révéler des populations spécifiques. Plus précisément, je me suis concentrée sur deux types principaux de nocicepteurs ciblant les nocicepteurs non peptidergiques non myélinisés expriment le récepteur à l'isolectine B4 (IB4), et les nocicepteurs peptidergiques non myélinisés exprimant le peptide lié au gène de la calcitonine (CGRP). De plus, j'ai ciblé les neurones multimodaux myélinisés en utilisant le neurofilament 200 (NF200). Compte tenu du rôle des ASIC dans la nociception et de leur implication dans la douleur neuropathique, j'ai également étudié comment la lésion des nerfs périphériques (induite par le menottage du nerf sciatique) affecte l'expression de chaque sous-unité dans différents segments des ganglions de la racine dorsale au sein des deux populations nociceptives. Mes résultats ont mis en évidence un profil d'expression complexe des ASIC dans des conditions naïves en fonction de la population étudiée, et une régulation différentielle des sous-unités ASIC spécifique à la région et au type de cellule après l'induction d'une lésion du nerf périphérique. La deuxième étude consiste en une investigation détaillée du profil d'expression des sous-unités ASIC1, ASIC2 et ASIC3 dans les ganglion rachidien humain. Plus spécifiquement, j'ai mené plusieurs expériences sur la co-expression des ASIC dans les neurones sensoriels primaires, en plus de l'exploration de leur profil d'expression dans les nocicepteurs peptidergiques et non peptidergiques. Cette étude, en conjonction avec mes travaux précédents, a mis en évidence des divergences et des similitudes entre les espèces qui devraient être prises en considération au cours du processus translationnel de cibles analgésiques précliniques jusqu'en traitements cliniques efficaces. / Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) are members of the degenerin-epithelial Na⁺ channel (DEG-ENaC) family of ion channels with protons being their main known ligands. ASIC channels are preferentially permeable to sodium (Na⁺), and to a lesser extent, other cations, such as potassium (K⁺), lithium (Li⁺), and proton (H⁺). ASIC subunits can be combined giving homotrimeric or heterotrimeric channels with various acidity activation threshold, leading to distinct pH sensitivity of ASIC channels based on their composition, which makes them versatile pH sensors. Four genes (Asic1-4) expressed throughout the nervous system, encode at least 6 subunits (ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b, ASIC3 and ASIC4) through alternative splicing, and have been discovered in rodents and humans, among other species. More specifically, in the dorsal root ganglia (DRG) of the peripheral nervous system (PNS) of rodents, ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b, and ASIC3 have been reported, playing an important role in several functions including nociception. Even though previous studies have explored the channels' involvement in several somatosensory functions, a detailed analysis of their expression pattern in distinct populations of primary sensory neurons has not been conducted up to date due to the limited commercial availability of specific antibodies. The first study presented in Chapter 1, aimed to reveal the comprehensive expression pattern of the five ASIC subunits in three different populations of primary sensory neurons. An in situ hybridization approach (RNAscope) was used to target the ASIC subunits, combined with immunohistochemistry to reveal specific populations. Namely, I focused on two main types of nociceptors targeting non-myelinated non-peptidergic nociceptors with Isolectin B4 (IB4), and peptidergic non-myelinated nociceptors with calcitonin gene-related peptide (CGRP). Moreover, I targeted myelinated multimodal neurons using neurofilament 200 (NF200). Considering the role of ASICs in nociception and their involvement in neuropathic pain, I also investigated how peripheral nerve injury (induced by placing a tight cuff around the sciatic nerve) affects the expression of each subunits in different DRG segments within the two nociceptive populations. My results uncovered a complex expression pattern of ASICs in naïve conditions depending on the population under investigation, and a regional and cell type specific differential regulation of ASIC subunits after induction of peripheral nerve injury. The second study consists of a detailed investigation of the expression pattern of ASIC1, ASIC2 and ASIC3 subunits in human DRG. More specifically I conducted several experiments investigating the co-expression of ASICs in primary sensory neurons in addition to exploring their expression pattern in peptidergic and non-peptidergic nociceptors. This study, in conjunction with my previous work, uncovered species divergence and similarities that should be taken under consideration during the translational process of successful preclinical analgesic targets to effective clinical treatments.

La thérapie génique sans transfert de gène utilisant les endonucléases de restriction spécifiques est une des approches thérapeutiques qui visent à la mise au point d’un traitement curatif de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). Afin de corriger le gène de la dystrophine avec les nucléases à doigt de zinc (ZFNs) en ciblant l’exon 50, nous avons produit les protéines ZFNs dans les bactéries et les avons purifiées. Les résultats obtenus après les essais in vitro montrent que les ZFNs produites reconnaissent d’une manière spécifique la séquence cible située au niveau de l’exon 50 du gène DYS et peuvent y générer d’une manière précise les coupures double-brin. Ils montrent également que les protéines ZFNs produites peuvent être transfectées, avec ou sans agent de transfection, dans les myoblastes des patients dystrophiques Duchenne en culture. / Gene therapy without gene transfer using specific restriction endonucleases is a therapeutic approaches aimed at the development of a cure for Duchenne muscular dystrophy (DMD). To correct the dystrophin gene with zinc finger nucleases (ZFNs) targeting exon 50of DYS gene, we produced ZFNs proteins in bacteria and purified them. The results obtained after in vitro assays show that ZFNs produced specifically recognize a target sequence located in exon 50 of the gene DYS and can be generated in a precise manner the double strand breaks. They also show that ZFNs produced proteins can be transduced with or without agent transduction, in cultured myoblasts of patients’ Duchenne dystrophy.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 juillet 2023) / La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est la plus fréquente des dystrophies musculaires chez l'adulte avec une prévalence de 1/8,000. Il s'agit d'une maladie multisystémique qui touche non seulement le muscle, mais aussi de nombreux organes et systèmes comme le cœur, le cerveau, les poumons, les yeux, les systèmes endocrinien et digestif. Une particularité de cette maladie est l'existence de la forme congénitale sévère responsable de 20 % de décès. La DM1 est causée par une expansion d'un triplet CTG dans la région 3' non codante du gène DMPK et que les ARNs mutés s'accumulent dans les noyaux formant des foci nucléaires. Ces foci séquestrent un facteur d'épissage de la famille des protéines muscle blind (MBNL) et perturbent la fonction de CUGBP-Elav-like (CELF), conduisant à une dérégulation de l'épissage alternatif et à des symptômes cliniques. La DM1 est une maladie qui affecte la qualité de vie, conduit à l'invalidité et réduit l'espérance de vie des sujets atteints, et actuellement il n'existe aucun traitement curatif. Notre hypothèse stipule que la destruction des ARNm DMPK mutés par l'utilisation des oligonucléotides antisens (ASOs) empêchera la fixation du MBNL, et améliorera ainsi le phénotype DM1 dans des modèles in vitro et in vivo. La première partie de ma thèse consiste à développer un modèle cellulaire de la DM1. Nous avons d'abord élaboré une procédure standardisée pour dériver les cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCs) à partir de lignées cellulaires lymphoblastiques (LCL) en utilisant la méthode Sendeï. Nous avons généré des hiPSCs d'un homme atteint de la forme adulte de la DM1 avec 200 répétitions CTG. Les hiPSCs obtenues conservent la mutation génétique de la DM1, présentent un caryotype normal, expriment les marqueurs de pluripotence et sont capables de se différencier en trois couches germinales. Par la suite, nous avons développé un modèle de cellules neuronales humaines de patients DM1 ayant 1300 CTG pour vérifier l'efficacité des ASOs. Les cellules neuronales récapitulent les principaux phénotypes moléculaires de la DM1 par la présence de foci nucléaires qui se co-localisent avec les protéines MBNL1 et MBNL2 et l'existence des défauts d'épissage alternatif. La deuxième partie est consacrée à améliorer l'efficacité des ASOs pour le traitement des manifestations musculaires, cardiaques et cérébrales en étudiant l'ASO IONIS-486178 conjugué à un acide palmitique via un linker HA (C16-HA): le IONIS-877864. Nos résultats montrent que C16-HA améliore considérablement l'absorption des ASOs dans les muscles striés des souris DMSXL après administration systémique. L'injection sous-cutanée de IONIS-877864 entraîne une destruction de 92 % des ARNm de hDMPK mutés dans les muscles squelettiques et de 78 % dans le cœur. Toutefois, aucun effet n'a été observé dans le cerveau. La diminution des transcrits mutés de hDMPK dans les muscles squelettiques causée par IONIS-877864 a été associée à une amélioration significative de la force musculaire, confirmant ainsi la pertinence des ASOs conjugués à l'acide palmitique C16-HA pour le traitement aussi bien des tissus musculaires que cardiaques. Dans la troisième partie du travail, nous testons l'administration intrathécale des ASOs comme traitement des déficits cérébraux observés chez les patients DM1, étant donné qu'aucune chimie à ce jour n'a été capable de franchir la barrière hémato-encéphalique. IONIS-486178 a été évalué à la fois in vitro dans les cellules neurales DM1 et in vivo chez les souris DMSXL. L'ASO a détruit 80 % des foci nucléaires dans les cellules neurales. Cette destruction a permis la redistribution de MBNL1 et 2 et la correction de certaines anomalies d'épissage. L'injection intracérébroventriculaire de IONIS-486178 chez des souris DMSXL adultes a permis une diminution de jusqu'à 70 % des ARNm de hDMPK mutés dans les différentes régions du cerveau, un effet maintenu pendant douze semaines, et une biodistribution de l'ASO dans toutes les régions cérébrales. Enfin, l'analyse de l'activité globale des souris DMSXL par le test Open field montre qu'une seule injection intracérébroventriculaire des souris DMSXL néonatales par IONIS-486178 améliore significativement les anomalies comportementales 3 semaines après le traitement. Dans l'ensemble, cette thèse soutient la faisabilité d'un traitement par injections systémiques d'ASO pour les manifestations musculaires et cardiaques, et par administration intrathécale pour le traitement des déficits cérébraux chez les patients DM1. / Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is the most common muscular dystrophy in adults with a prevalence of 1/8,000. It is a multisystem disease that affects not only the muscle, but also many organs and systems such as the heart, brain, lungs, eyes, endocrine and digestive systems. A particularity of this disease is the existence of the severe congenital form responsible for 20 % of deaths. DM1 is caused by an expansion of a CTG triplet in the 3' non-coding region of the DMPK gene and the mutated RNAs accumulate in the nuclei forming nuclear foci. These foci sequester a splicing factor of the muscle blind protein family (MBNL) and disrupt CUGBP-Elav-like (CELF) function, leading to deregulation of alternative splicing and clinical symptoms. DM1 is a disease that affects quality of life, leads to disability, and reduces life expectancy of affected individuals and currently there is no curative treatment. Our hypothesis states that the destruction of mutated DMPK mRNAs using antisense oligonucleotides (ASOs) will prevent MBNL binding, and thus improve the DM1 phenotype in in vitro and in vivo models. The first part of my thesis consists in developing a cellular model of DM1. We first developed a standardized procedure to derive human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) from lymphoblastic cell lines (LCL) using the Sendeï method. We generated hiPSCs from a man affected by an adult form of DM1 with 200 CTG repeats. The resulting hiPSCs retained the DM1 genetic mutation, had a normal karyotype, expressed pluripotency markers and were able to differentiate into three germ layers. Subsequently, we developed a human neuronal cell model of DM1 patients with 1300 CTG to verify the efficacy of ASOs. The neuronal cells recapitulate the main molecular phenotypes of DM1 by the presence of nuclear foci that co-localize with MBNL1 and MBNL2 proteins and the existence of alternative splicing defects. The second part is devoted to improving the potency of ASOs for the treatment of muscle, heart and brain events by studying the IONIS-486178 ASO conjugated to a palmitic acid (C16) via an HA linker (the IONIS-877864). Our results show that C16-HA significantly enhances ASO uptake in striated muscles of DMSXL mice after systemic administration. Subcutaneous injection of IONIS-877864 results in 92 % destruction of mutant hDMPK mRNAs in skeletal muscle and 78 % in heart. However, no effect was observed in the brain. The decrease in mutant hDMPK transcripts in skeletal muscles caused by IONIS-877864 was associated with a significant improvement in muscle strength, thus confirming the suitability of C16-HA palmitic acid-conjugated ASOs for the treatment of both muscle and cardiac tissues. In the third part of the work, we test intrathecal administration of ASOs as a treatment for brain deficits observed in DM1 patients, as no chemistry to date has been able to cross the blood-brain barrier. IONIS-486178 was evaluated both in vitro in DM1 neuronal cells and in vivo in DMSXL mice. ASO destroyed 80 % of nuclear foci in neural cells. This destruction allowed the redistribution of MBNL1 and 2, and the correction of some splicing defects. Intracerebroventricular injection of the IONIS-486178 in DMSXL mice adult resulted in a decrease of up to 70 % in hDMPK mutated mRNA levels in different brain regions, an effect maintained for twelve weeks, and biodistribution of ASO in all brain regions. Finally, analysis of the global activity of DMSXL mice by the Open field test shows that a single intracerebroventricular injection of neonatal DMSXL mice with IONIS-486178 significantly improves behavioral abnormalities 3 weeks after treatment. Overall, this thesis supports the feasibility of treatment with systemic injections of ASO for muscle and cardiac manifestations, and intrathecal administration for the treatment of brain deficits in DM1 patients.

Le cancer de la prostate (CaP) est le cancer dont l’incidence augmente le plus vite parmi les hommes. Selon la Société Canadienne du Cancer, en 2015, 24 000 nouveaux cas de cancer de la prostate seront diagnostiqués et 4 100 patients en décèderont. Bien que des techniques cliniques pour la détection, le diagnostique et le traitement du CaP soient disponibles et importantes dans le traitement actuel de la maladie, elles sont cependant limitées. L’exploitation de plusieurs promoteurs dont l’activité est altérée au cours du développement du cancer est un moyen pour surmonter ces limitations. L’ARN non codant PCA3 est un biomarqueur unique du CaP qui a été largement étudié et dont l’expression est 60 fois plus forte dans les cellules de CaP que dans les cellules bégnines de prostate. Le gène de l’APS (PSEBC) est un marqueur important en clinique, il reflète la réponse au traitement par privation androgénique. Ces études ont pour objectif de développer des systèmes d’amplification transcriptionnel avec les promoteurs PCA3 et PSEBC pour non seulement cibler mais aussi caractériser les cellules cancéreuses de prostate lors de la progression de la maladie. Nous avons générés plusieurs systèmes dans des adénovirus contenant différentes constructions avec le promoteur proximal PCA3 de 152 pb, le système d’amplification TSTA et le gène rapporteur de la luciférase. Nous avons testé leur spécificité pour les cellules du CaP par infection transitoire. Nous avons amélioré le système TSTA et généré le PCA3-3STA. Nous avons ensuite intégré le promoteur PCA3 avec le promoteur PSA pour générer un autre nouveau système d’amplification transcriptionnelle qui se nomme le système «Multiple Promoter Integrated Transcriptional Amplification (MP-ITSTA)». Ces systèmes ont ensuite été exploités avec un microscope à bioluminescence pour cibler des cellules de CaP provenant de biopsies liquides de patients. Dans le chapitre deux, nous avons montré que l’activité de PCA3-3STA était hautement spécifique pour les cellules de CaP. Son activité était de 98,7 à 108 fois plus fortes dans les cellules de CaP que dans les cellules primaires bégnines de prostate ou dans les cellules cancéreuses nonprostatiques. Dans des modèles murins de xénogreffes de lignées cellulaires de CaP, nous avons montré que PCA3-3STA pouvait imager de manière très sensible l’activité du promoteur PCA3. De plus, sur des modèles de cultures primaires de biopsies, nous avons montré que le système PCA3-3STA ciblait spécifiquement les cellules épithéliales de CaP sans affecter les cellules stromales. Dans le chapitre trois, nous avons ensuite développé une technique en combinat la microscopie à bioluminescence avec le système TSTA et le promoteur PSA pour cibler les cellules de CaP purifiées de sang de patients et évaluer, cellule par cellule, l’hétérogénéité de leur réponse aux anti-androgènes. Cette technique a aussi montré que la microscopie à bioluminescence est hautement quantitative et a la capacité de détecter les changements moléculaires à l’échelle de la cellule. Le quatrième chapitre présente le système MP-ITSTA. Le système intègre l’activation combinée de deux promoteurs qui contrôlent l’expression d’un seul gène rapporteur. La combinaison du promoteur PCA3 avec celui de l’APS permet d’évaluer, cellule par cellule, la réponse aux anti-androgènes de cellules de CaP prélevés à partir d’urine de patients. C’est pourquoi, les systèmes PCA3-3STA et MP-ITSTA sont des systèmes d’expression spécifiques au cancer de la prostate avec le potentiel de cibler et détecter avec précision les cellules épithéliales de CaP ainsi que leur réponse aux traitements thérapeutiques in vivo et ex vivo. Ces systèmes peuvent jouer un rôle important pour l’imagerie moléculaire, l’immunothérapie et la thérapie génique. / Development Of Transcriptional Amplification Systems To Target and Interrogate Cancer Cells Based On Gene Expression Altered During Cancer Development and Treatment Prostate cancer (PCa) is the fastest rising cancer among the males. According to the Canadian Cancer Society in 2015 it was estimated that 24 000 new cases will be diagnosed with prostate cancer and 4100 patients will die from the disease. Although already available clinical techniques for the detection, prognosis and treatment of PCa play an important role in decision making, they are limited in terms of the ability of detecting PCa cells, prognosis and increasing over all survival of patients. Exploitation of several gene promoters altered during cancer development act as important tool to overcome these limitations. PCA3 noncoding long RNA is a unique PCa biomarker that has been widely studied for its sixty-fold overexpression in PCa cells, compared to benign prostate cells. PSA (PSEBC) gene is of high clinical significance as it can give an account of response to androgen deprivation treatments. These studies aim to develop Transcriptional Amplification Systems that can target as well as characterise cancer cells during disease progression using PCA3 and PSA gene promoters. Various adenovirus constructs incorporating the proximal 152 bp PCA3 promoter, the TSTA system and the Firefly luciferase reporter gene were generated and the specificity of the promoter was tested in PCa cells by transient infection. We have improved the TSTA system and generated the (PCA3-3STA). We further integrated the PCA3 promoter along with the PSA promoter to generate a new transcriptional amplification system that we named the Multiple Promoter Integrated Transcriptional Amplification (MP-ITSTA) system. These systems were further applied to target PCa cells from body fluids of patients using bioluminescence microscopy. In chapter two we show that PCA3-3STA activity was highly specific for PCa cells, ranging between 98.7 and 108.0-fold higher, respectively, than that for benign prostate or non-PCa cells. In PCa cell line mouse xenografts, PCA3-3STA was shown to image PCA3 promoter activity with high sensitivity. Moreover, when primary PCa biopsies were infected with PCA3-3STA, it managed to image PCa epithelial cells but not stromal cells. In chapter three we further developed a bioluminescence microscopy technique using the TSTA system with PSA promoter to target PCa cells from blood of patients and assess heterogeneous single cell response to antiandrogens. This technique also shows that bioluminescence microscopy is highly quantitative and has the ability to detect molecular changes at the cellular level. The fourth chapter presents the MP-ITSTA system. This system integrates the combined activation of two promoters giving a single reporter gene expression. PCA3 when combined with the PSA promoter could assess single cell response to antiandrogens in cells isolated from urine of patients. Hence, PCA3-3STA and MP-ITSTA utilizing the bioluminescence microscopy represent a prostate- and PCa-specific expression systems with the potential to target, with high accuracy, PCa epithelial cells, assess their response to therapy in vivo and ex vivo. This can play an important role for imaging, immunotherapy, or gene therapy.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / L’épidermolyse bulleuse dystrophique récessive (EBDR) est une maladie génétique rare causée par des mutations dans le gène COL7A1, codant pour le collagène de type VII, qui est sécrété par les kératinocytes et les fibroblastes cutanés. Le collagène de type VII forme les fibrilles d'ancrage responsables de l'adhésion à la jonction dermo-épidermique et son absence provoque des décollements de l'épiderme. Il n'y a aucun traitement curatif pour l'EBDR. L’objectif de ce projet est de développer un traitement pour l'EBDR par thérapie génique, en utilisant la peau reconstruite par génie tissulaire produite à partir de fibroblastes et de kératinocytes humains modifiés génétiquement pour exprimer le gène COL7A1. Une méthode de transduction de fibroblastes et de kératinocytes a été optimisée. L'efficacité des facilitateurs EF-C et polybrène à augmenter la transduction des vecteurs rétroviraux pseudotypés avec les enveloppes Ampho, BaeV, Galv ou RD114 a été comparée. Les conditions optimisées ont été utilisées pour délivrer le gène COL7A1 portant une étiquette hémaglutinine dans les cellules utilisées pour reconstruire la peau in vitro par la méthode d'auto-assemblage. Les résultats montrent que le peptide EF-C a augmenté la transduction des fibroblastes et des kératinocytes en comparaison au polybrène. De plus, l’évaluation de l’efficacité de formation des colonies a indiqué que les conditions de transduction optimisées ont permis de préserver des kératinocytes formant des clones typiquement associés aux cellules souches. Lorsque les cellules transduites par le vecteur ont été utilisées pour produire des peaux reconstruites, le collagène de type VII synthétisé à partir du gène inséré s'est localisé à la jonction dermo-épidermique comme le collagène natif. Ces résultats indiquent que le transfert de gènes pour produire la peau reconstruite est une technologie prometteuse pour le traitement de l'EBDR. La greffe de ces tissus autologues sur les patients pourrait offrir une méthode efficace et sécuritaire pour traiter cette maladie. / Recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB) is a rare genetic disease caused by mutations in the COL7A1 gene, which encodes type VII collagen. Secreted by keratinocytes and fibroblasts, the type VII collagen forms the anchoring fibrils that ensure dermal-epidermal junction cohesion in the skin. Its absence leads to epidermal detachment. There is no cure for RDEB. The objective of this project is to develop a treatment for RDEB, integrating gene therapy and tissue-engineered skin substitutes produced with human fibroblasts and keratinocytes genetically modified to express the COL7A1 gene. A method to transduce fibroblasts and keratinocytes was optimized. The efficacy of the enhancers EF-C and polybrene to increase the transduction efficiency of pseudotyped retroviral vectors with the Ampho, Baev, Galv or RD114 envelopes was compared. The optimized conditions were used to deliver the COL7A1 gene tagged with hemagglutinin (HA) in the cells used to reconstruct in vitro tissue-engineered skin substitute by the self-assembly method. Results showed that the EF-C-peptide increased transduction of fibroblasts and keratinocytes in comparison to polybrene. In addition, the colony forming efficiency assay indicated that optimized conditions of transduction allowed to preserve keratinocyte clones typically formed by stem cells. When transduced cells were used to produce tissue-engineered skin substitute, type VII collagen synthesized from the newly inserted COL7A1 tagged HA gene was located at the dermal-epidermal junction like in native skin. These results indicate that the combination of gene therapy and tissue engineering is a promising technology for the treatment of RDEB. The transplantation of autologous tissue-engineered skin substitutes genetically corrected with normal COL7A1 gene in RDEB patients could offer a safe and effective method to treat this disease.

Les translocations chromosomiques du gène MLL sont connues pour mener au développement de leucémies aiguës. La translocation avec un de ses partenaires de fusion les plus communs, ENL, peut engendrer des leucémies aiguës de plusieurs types différents pour cette même translocation. Une fois la leucémogenèse initiée par la fusion MLL-ENL, son rôle quant au maintien du phénotype leucémique n’est pas encore bien connu à ce jour. Pour mieux comprendre l’importance de MLL-ENL après la leucémogenèse, des cellules souches/progénitrices de sang de cordon ombilical humain purifiées ont ainsi été transduites par un virus exprimant le gène de fusion MLL-ENL bordé par des sites LoxP ainsi que le marqueur eGFP. Ces cellules infectées ont ensuite été injectées dans notre modèle de souris immunodéficientes irradiées et placées sous observation pendant 24 semaines pour voir le développement de leucémies aiguës. Elles ont alors été sacrifiées et les cellules la moelle osseuse et de la rate ont ensuite été analysées par cytométrie en flux pour déterminer si la xénogreffe a engendré une leucémie dans notre modèle ainsi que le phénotype de celle-ci. Les souris injectées par les cellules infectées par le MLL-ENL ont généré uniquement des leucémies lymphoïdes aiguës de type B. Les cellules de ces leucémies primaires isolées ont été par la suite infectées par un lentivirus exprimant la cre-recombinase et le marqueur BFP afin d’exciser le gène MLL-ENL des cellules leucémiques grâce aux sites LoxP. Les cellules ont ensuite été triées pour le marqueur BFP et injectées dans des souris secondaires pour de voir si les cellules leucémiques souches pouvaient toujours régénérer la leucémie. Les conséquences de l’absence de MLL-ENL dans le maintien du phénotype leucémique n’ont cependant pas pu être vérifiées à cause d’une erreur dans la séquence de la cre-recombinase, mais nous avons observé la régénération des leucémies secondaires. / Chromosome translocations of the MLL gene which fusions with different other genes in hematopoietic stem and progenitors cells are well characterized and known to induce the development of acute leukemias. Translocation with one of its most common fusion partner, ENL, induces different acute leukemias but once the leukemia is fully developped, the role of MLL-ENL regarding the maintenance of the leukemic phenotype/disease is still uncertain. To get a better understanding of MLL-ENL’s long term role in leukemias, stem cells and progenitor cells from human umbilical cord blood purified by negative selection have been transduced by a virus expressing the fusion gene MLL-ENL flanked by LoxP sites and the eGFP marker. These infected cells were then transplanted by intra-femoral injection in sub-lethally irradiated immunodeficient mouse and observed for 24 weeks to see the development of acute leukemias. They were then euthanized and bone marrow/spleen cells were analyzed by flow cytometry to determine whether the xenograft generated leukemia and determine their phenotype. Mice injected with MLL-ENL transduced cells only generated type B acute lymphoblastic leukemias in our model. The primary leukemia cells isolated were subsequently infected with a lentivirus expressing the cre recombinase and a BFP marker, aiming to excise the MLL-ENL gene of leukemic cells through the LoxP sites. The cells were then sorted for the BFP marker and injected into secondary mouse to see if the leukemic stem cells could still regenerate leukemia. Due to an error on the sequence of the cre recombinase, the outcomes of MLL-ENL removal could not be verified, but we still managed to regenerate secondary leukemias in our model.

La dystrophie musculaire est une maladie génétique monogénique récessive liée au chromosome X. Elle atteint 1 garçon sur 3500 naissances mâles. Le garçon atteint de la maladie présente des troubles de la locomotion à l’âge de 3-4 ans et la perd vers l’âge de 11 ans. La mort survient entre 18-30 ans suite à des complications cardio-pulmonaires. Il n’existe pas à ce jour un traitement curatif efficace contre cette grave maladie. Nous avons développé une approche de thérapie génique appelée CRISPR-induced deletion (CinDel) pour corriger le gène DMD muté. Elle utilise deux ARNg qui ciblent les exons précédant et suivant la délétion responsable du décalage du cadre de lecture. La reconnaissance des sites ciblés par les deux ARNg permet le recrutement de la nucléase Cas9 qui génère des coupures double-brin. Les séquences exoniques et introniques situées entre les deux coupures sont ensuite délétées. Les restes des exons sont joints par la recombinaison non homologue (NHEJ) pour produire un exon hybride, rétablir le cadre de lecture et permettre la synthèse d’un edystrophine tronquée ayant une structure correcte des répétitions de type spectrine (Spectrin-Like Repeat: SLR) et des heptades. Cette approche CinDel a été utilisée dans le cadre de ce projet d’abord pour corriger le gène DMD muté dans les myoblastes d’un patient avec une délétion des exons 51-53. Les exons 50 et 54 ont été ciblés avec deux ARNg et la Spcas9 pour produire des coupures double-brin et déléter les séquences situées entre ces deux sites et produire par NHEJ un exon hybride 50-54. L’approche a également permis de corriger in vivo le gène DMD muté dans le modèle animal, la souris transgénique avec un gène DMD humain ayant une délétion de l’exon 52 (del52hDMD) en utilisant un vecteur viralAAV9 contenant le gène SpCas9 et deux ARNgs. Pour vérifier la localisation par rapport au sarcolemme de la dystrophine tronquée avec ou sans une structure correcte des SLR et des heptades, nous avons électroporé les muscles Tibialis anteriorde souris mdx/mdx avec des plasmides codant pour les gènes normal et tronqué de la dystrophine fusionnée avec le gène de l’EGFP. Les résultats de cette expérience montrent que les dystrophines tronquées et normale se localisent correctement sous le sarcolemme. En vue de réprimer efficacement le gène de la SpCas9 et éviter son expression prolongée qui peut être à la base de coupures aléatoires et inattendues (off-target effects) dans le génome, nous avons mis au point une méthode de répression appelée Hara-Kiri moléculaire. Elle utilise la méthode CinDel et consiste à cibler deux régions du gène de SpCas9 avec deux ARNg. Le recrutement de la nucléase permet à celle-ci de couper son propre gène (Hara-Kiri). La séquence située entre les deux sites de coupures est délétée. Par NHEJ, les restes du gène de SpCas9 sont joints en générant un codon stop TAA au point de jonction. Cette approche a permis de réprimer efficacement le gène de SpCas9 in vitro et in vivo / Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is an X-linked genetically recessive genetic disorder. It affects 1 boy out of 3500 male births. The boy with the disorder presents walking disorders at the age of 3-4 years and loses it around the age of 11. Death occurs around 18-30 years of age from cardiopulmonary complications. To date, there is no effective cure for this serious disease. We have developed a gene therapy approach called CRISPR-induced deletion (CinDel) to correct the mutated DMD gene. It uses two gRNAs that target the exons preceding and following the deletion responsible for the frame shift. The recognition of the target sites by the two gRNAs allows the recruitment of the Cas9 nuclease, which generates double-strand breaks. The exonic and intronic sequences located between the two cuts are then deleted and the remains of the exons are fused by Non-Homologous End Joining (NHEJ) to produce a hybrid exon and restore the reading frame and to allow the synthesis of the truncated dystrophin with correct SLR structure and heptads. The CinDel approach was used in this project to correct the mutated DMD gene in the myoblasts of a patient with a 51-53 deletion. Exons 50 and 54 were targeted by SpCas9 and two gRNAs and to produce double strand breaks, delete the sequences between the two cleavage sites and produce a hybrid exon 50-54 by NHEJ. This restored the normal reading frame and allowed the expression of truncated dystrophin in the patient's myotubes. The approach also made it possible to correct in vivo the mutated DMD gene in the animal model, the transgenic mouse with a human DMD gene having a deletion of exon 52 (del52hDMD) using an AAV9 viral vector containing the SpCas9 gene and two ARNgs. To verify the location with respect to the sarcolemma of truncated dystrophin with or without a correct SLR structure and heptads, we electroporated the Tibialis anterior muscles of mdx/mdx mice with the plasmids encoding the normal or the truncated dystrophin gene fused with the eGFP gene. The results of this experiment show that truncated and normal dystrophins were well localized under sarcolemma. In order to effectively repress the SpCas9 gene and avoid its prolonged expression that may be the basis of random and unexpected (off-target effects) cuts in the genome, we have developed a method of repression called molecular Hara-Kiri. It uses the CinDel method and consists of targeting two regions of the SpCas9 gene with two gRNAs. Recruiting nuclease allows it to cut its own gene (Hara-Kiri). The sequence between the two cleavage sites is deleted. The residues of the SpCas9 gene are then joined by NHEJ generating a TAA stop codon at the junction point. This approach effectively repressed the SpCas9 gene in vitro and in vivo.

Les technologies CRISPR-Cas9 révolutionnent la façon dont on interroge les systèmes biologiques et offrent un immense potentiel thérapeutique pour diverses maladies génétiques. Malgré les progrès fulgurants des dernières années, l'ingénierie ciblée du génome des cellules humaines demeure un défi de taille dans certains types cellulaires. La cosélection sans marqueur est une méthode qui consiste à introduire une mutation précise dans un gène endogène pour conférer de la résistance à une molécule toxique pour les cellules non modifiées, permettant l'enrichissement des cellules modifiées par CRISPR-Cas9. Comme deux différents évènements de modifications génétiques ne sont pas statistiquement indépendants au sein d'une même cellule, la sélection des cellules ayant la première modification permet l'enrichissement d'une deuxième modification d'intérêt à un locus distant par cosélection. Dans le cadre du premier chapitre de cette thèse, nous avons développé une méthode de cosélection pour permettre l'enrichissement des cellules modifiées par éditeur de type PE, de l'anglais pour « prime editing ». Nous avons identifié des mutations dominantes avec gain de fonction du gène ATP1A1 qui confèrent différents niveaux de résistance à l'ouabaïne, un inhibiteur de la pompe à sodium/potassium (ATPase Na⁺/K⁺). Ces nouvelles mutations permettent d'effectuer jusqu'à trois étapes successives de cosélection en augmentant la dose d'ouabaïne à chape étape. La cosélection facilite grandement l'enrichissement de populations de cellules hautement modifiées et l'isolement de clones dérivés d'une seule cellule homozygote pour une modification désirée. La caractérisation des clones a révélé que l'utilisation de l'éditeur PE3 génère fréquemment des modifications non voulues et plus difficiles à détecter étant donné leurs plus grandes tailles. En somme, nos méthodes devraient faciliter l'ingénierie ciblée du génome des cellules humaines pour créer des modèles cellulaires pour la recherche biomédicale. Dans le cadre du deuxième chapitre de cette thèse, nous avons développé une méthode de sélection sans marqueur pour l'ingénierie ciblée du génome des lymphocytes T pour diverses applications en thérapie cellulaire. Cette méthode permet de simultanément intégrer un transgène codant pour un récepteur antigénique chimérique (CAR) et une mutation gain de fonction dans le locus MTOR. Cette mutation permet la sélection sans marqueur avec la rapamycine, un inhibiteur de mTOR couramment utilisé en clinique comme immunosuppresseur. Notre approche permet donc d'enrichir les cellules modifiées par CRISPR-Cas9 qui expriment un transgène thérapeutique d'intérêt. À partir d'un rapporteur fluorescent de signalisation mTORC1, nous avons démontré que mTOR demeure fonctionnelle en présence de rapamycine après l'intégration du transgène d'intérêt et de la mutation dominante. Cette méthode permet l'enrichissement efficace de lymphocytes T primaires exprimant un récepteur CD19-CAR. À partir d'essais de cytotoxicité in vitro et d'un modèle murin de leucémie lymphoblastique aiguë, nous avons observé un effet combiné des lymphocytes CAR-T et de la rapamycine en ciblant des lymphocytes B cancéreux (CD19⁺). En somme, notre stratégie devrait faciliter l'ingénierie ciblée du génome des lymphocytes T pour diverses applications en thérapie cellulaire. / CRISPR-based technologies are revolutionizing the way we interrogate biological systems, and offer a diverse array of therapeutic opportunities to treat genetic diseases. Despite significant improvements, genome editing in human cells remains challenging in a variety of cell types. Marker-free co-selection is based on the installation of a specific mutation at an endogenous locus to confer cellular resistance to a molecule that is otherwise toxic for unmodified cells, allowing the enrichment of CRISPR-engineered cells. Considering that two genome editing events at distant loci are not statistically independent within the same cell, selection for the first modification allows the enrichment of a second modification of interest via co-selection. As part of the first chapter of this thesis, we developed a marker-free co-selection method to perform successive rounds of prime editing in human cells. We first identified new ATP1A1 gain-of-function mutations to confer different levels of resistance to ouabain, a plant-derived inhibitor of the essential and ubiquitous sodium-potassium pump (Na⁺/K⁺ ATPase). Introducing these mutations sequentially allowed up to three successive rounds of selection to be performed by increasing the dose of ouabain at each step. Co-selection greatly facilitates the isolation of highly-modified populations of cells and homozygous single cell-derived clones. Characterization of single cell-derived clones revealed that the use of a complementary nick sgRNA (PE3) frequently generates tandem duplications and large deletions at the target site. Overall, our co-selection toolkit should facilitate prime editing in human cells to create cellular models for biomedical research. As part of the second chapter of this thesis, we have developed a marker-free selection method to enrich CRISPR-engineered T cells for cell therapy applications. We devised a strategy to simultaneously introduce a rapamycin resistance mutation and a CAR gene cassette to the MTOR locus via intron nesting to generate rapamycin-resistant CD19-CAR-T cells. Our strategy allows the enrichment of CRISPR-engineered T cells expressing a therapeutic transgene of interest with rapamycin, a widely used immunosuppressant. Using a fluorescent mTORC1 signaling reporter, we confirmed that mTORC1 signaling remained functional in the presence of rapamycin after the installation of the dominant gain-of-function mutation and a therapeutic transgene of interest. Using luciferase-based and FACS-based in vitro cytotoxicity assays, and a mouse model of acute lymphoblastic leukemia, we confirmed that our CAR-T cells could efficiently target CD19⁺ leukemia cells in combination with rapamycin. We foresee that our strategy could both facilitate the enrichment of CRISPR-engineered CAR-T cells and improve tumor eradication.

Environ 3500 tonnes de pesticides sont étendues chaque année sur les terres agricoles du Québec. L’utilisation de plusieurs de ces substances a été interdite, car les ingrédients actifs qui les composaient avaient des effets toxiques sur les humains et/ou l’environnement. Malheureusement, certains qui sont toujours en vente ont aussi des effets secondaires non désirables. En effet, ces molécules exogènes ont le potentiel de moduler l’activation de protéines régulatrices comme le récepteur aux dioxines (AhR). AhR active, entre autres, l’expression de gènes faisant partie de la famille du cytochrome P450 (CYP1A1 et CYP1B1) qui sont impliqués dans la détoxification. Or, dans certains cas, ces enzymes mènent à la production de molécules mutagènes en augmentant la toxicité des ingrédients actifs en les métabolisant. Le projet global dans lequel s’insère ce projet de maîtrise vise à déterminer les effets génomiques des pesticides environnementaux sur des organismes vivants en milieu naturel dans les environs de la région de l’Estrie. Les espèces choisies comme modèles d’étude sont des insectivores, car les pesticides s’accumulent dans les lipides et que les insectes en sont une excellente source. Les consommateurs d’insectes sont donc d’excellents marqueurs du niveau de contamination de leur environnement par les pesticides. Les deux espèces sélectionnées sont l’hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) et la grande musaraigne (Blarina brevicauda). De façon plus spécifique, le projet de maîtrise se divise en deux principaux objectifs. Le premier objectif est de valider que les pesticides présents dans l’environnement sont en concentration suffisante pour modifier la régulation génétique d’animaux en milieu naturel. Cette validation se fera en comparant le taux d’expression de CYP1A1 et CYP1B1 (suite de leur activation par AhR) chez des bêtes ayant été exposées (ou non) à des pesticides. Comme le génome des deux modèles d’étude n’est pas encore séquencé, le clonage partiel des gènes à étudier (AhR et CYP1) a été entamé de même que la conception d’amorces qui permettra de quantifier le niveau d’expression de ces gènes par des réactions en chaîne par polymérase en temps réel (qPCR). À ce jour, une partie de la séquence d’AhR, de CYP1B1 et de trois gènes contrôles ont été séquencés pour l’hirondelle, ce qui a permis de concevoir des amorces pour la quantification de l’expression d’AhR et de deux contrôles. Pour la musaraigne, ce sont les gènes AhR, potentiellement CYP1A1 et trois contrôles qui ont été séquencés partiellement et ce sont les gènes AhR et les contrôles pour lesquels des amorces sont prêtes à être utilisées pour la quantification par qPCR. Le deuxième objectif est d’observer les effets génétiques des pesticides de manière globale sur des organismes vivants. Un génome de référence est donc nécessaire pour identifier les régions qui vont être régulées (directement ou indirectement) par les polluants d’origine agricole. Pour la grande musaraigne, c’est le génome de la musaraigne commune (Sorex araneus) qui sera utilisé, car ces deux espèces sont très proches phylogénétiquement. Par contre, pour l’hirondelle bicolore, le séquençage, l’assemblage et l’annotation de son génome seront essentiels parce que les espèces d’oiseaux actuellement séquencées sont trop éloignées pour permettre l’identification des régions qui seront régulées différemment en présence de pesticides. Le séquençage a été fait et l’assemblage a permis de couvrir 55% du génome de l’hirondelle bicolore. Cependant, il est très fractionné avec un N50 de 1339 et un peu plus de 600 000 contigs. Quelques étapes restent à accomplir pour optimiser l’assemblage tel que l’élimination de la contamination (estimée à 5%). L’annotation pourra être faite lorsque l’étape précédente sera finie. Compte tenu de l’ampleur du projet, ce qui a été effectué dans le cadre de la maîtrise contribuera grandement à la bonne continuation de celui-ci. Le projet global permettra de mieux comprendre l’impact des pesticides sur des organismes sauvages.