Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Notre travail concerne la transfection génique. Celle-ci nécessite l'envoi au noyau cellulaire d'ADN exogène, c’est-à-dire, d'une grosse molécule hydrophile, qui, normalement ne peut pénétrer dans la cellule que par endocytose. Or, un tel processus conduit habituellement à une dégradation de la molécule, en grande partie dans les lysosomes. Dans notre introduction, après un bref rappel sur l'endocytose, nous présenterons les moyens qui permettent à l'ADN exogène d'échapper à une hydrolyse intracellulaire et d'atteindre le noyau sous une forme fonctionnelle. Les résultats que nous avons présentés nous apportent des informations sur l’influence de l’injection hydrodynamique sur l’endocytose par le foie. Rappelons que notre travail avait deux buts principaux : contribuer à l’élucidation du mécanisme de la transfection hydrodynamique et rechercher si l’injection hydrodynamique pouvait présenter des avantages pour introduire des protéines dans les cellules hépatiques.

Deux classes de poly(A)-binding protein (PABP) lient la queue poly(A) des ARNm chez la plupart des mammifères: PABPC1 au cytosol et PABPN1 au noyau. PABPC1 stimule la traduction des ARNm tandis que PABPN1 stimule la processivité de la poly(A) polymérase tout en contrôlant la taille des queues poly(A). Il est à noter que les orthologues de PABPC1 sont bien caractérisés chez la levure, toutefois un homologue de PABPN1 n'avait jamais été identifié. Précédemment, le Dr. Bachand avait réalisé une purification par affinité avec la protéine d’arginine méthyltransférase I (Rmt1) couplée à la spectrométrie de masse, ce qui a permis d'identifier l’homologue de PABPN1 (Pab2) chez la levure à fission. Différentes expériences ont démontré que Pab2 est une protéine nucléaire non-essentielle qui lie spécifiquement des séquences poly(A) in vitro. Pab2 a été identifiée par son interaction avec Rmt1 et cette enzyme méthyle les arginines présentes dans le domaine riche en arginine de la protéine Pab2. Cette modification post-traductionnelle n'affecte pas la localisation nucléaire et l’affinité aux séquences poly(A) de Pab2. Par contre, les niveaux d’oligomérisation de Pab2 sont nettement augmentés lorsque Pab2 n’est plus méthylée. De plus, les ARNs provenant de cellules [Delta]pab2 sont hyperadénylés, ce qui corrobore avec la fonction de PABPN1 à contrôler la taille des queues poly(A) in vitro. Par la suite, j'ai caractérisé l’implication de Pab2 durant la maturation du pré-ARNm. Des essais d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP) ont établi que Pab2 est recrutée co-transcriptionnellement aux gènes activement transcrits. De façon surprenante, mes études ont démontré que le recrutement de Pab2 précède celui d'un facteur impliqué dans le clivage et la polyadénylation. De plus, le recrutement de Pab2 dépend de l’ARNm naissant. Conséquemment, j'ai voulu identifier les protéines associées à Pab2. Ainsi, une purification d’affinité par tandem couplée à la spectrométrie de masse a révélé que Pab2 est associée à plusieurs protéines ribosomales ainsi que des facteurs de traduction générale. Ces données étaient étonnantes puisque la traduction des ARNm implique la protéine Pab1. Par conséquent, il était pertinent de vérifier le rôle possible de Pab2 sur la traduction. À priori, j ’ai confirmé que Pab2 fait la navette entre le noyau et le cytosol, ce qui concorde avec l’orthologue PABPN1. Par la suite, j'ai démontré qu’une fraction de la protéine Pab2 demeure associée aux ARNm activement traduits. Il devenait alors intéressant de connaître les cibles de Pab2. L’analyse génomique a établi que Pab2 régule l’expression de certains transcrits, tels que les gènes méïotiques, les snoRNAs et les rétrotransposons. Pour la suite de mes recherches, je me suis concentrée sur le gène codant pour la protéine ribosomale de la large sous-unité Rpl30-2, dont l’expression augmente de 4 fois en absence de Pab2. Il est intéressant de noter que le changement d ’expression de Rpl30-2 dans une souche [Delta]pab2 dépend de la présence de l’intron Rpl30-2. Mes travaux démontrent que l’expression de Rpl30-2 est régulée au niveau du pré-ARNm par Pab2 et Rrp6, une composante de l’exosome nucléaire. De plus, l’analyse du transcriptome par RNA-seq a établi que ce mécanisme permet de réguler l’expression d'une soixantaine de gènes qui sont inefficacement épissés. En ce qui concerne Rpl30-2, l’épissage de ce transcrit est ralenti par Rpl30-1, le paralogue de Rpl30-2. L’ensemble de mes travaux ont pu caractériser l’homologue de PABPN1 (Pab2) chez la levure à fission tout en établissant une fonction spécifique pour cette poly(A)-binding protein.

Les résultats d’expériences de microarray furent décriés par le manque de concordance inter-expériences. Les listes immenses de gènes résultant de filtrages statistiques sont difficiles à exploiter. La Food and Drug Administration a montré que le choix d’indicateurs de filtrage de gènes était la source d’une grande disparité entre expériences de microarray issus de laboratoires indépendants. Dans ce contexte, nous avons développé une méthode de sélection basée sur la modélisation de l’allure de la courbe d’expression avec le Log2 du « fold-change » entre les points de cinétique. En effet, des gènes co-régulés au cours d’une cinétique temporelle présentent des courbes d’expression d’allure similaire alors que leur niveau d’expression peut être différent. Nous avons validé la méthode grâce à 2 expériences indépendantes de microar-ray étudiant la différenciation des ovaires d’embryons de souris. Ainsi, nous avons obtenu une liste réduite et pertinente de gènes exprimés. Puis, une analyse de ces résultats dans le cas de la différenciation ovarienne nous a permis d’identifier 9 nouveaux gènes candidats validés in silico et restant à être testés biologiquement. / Microarray results were blamed because of their lack of concordance. Moreover, the huge candidate gene lists from statistical filterings are not useful for biologists. FDA proved that the lack of reliability between microarray experiments came from the choice of gene filtering indicators. In this context, a filtering method was developed based on expression curve shape modelling with the use of Log 2 of fold-change between kinetic points. Actually, the co-regulated genes display similar expression shape but with heterogeneous expression level.Our method was developed and validated thanks to two independent microarray experiments (Affymetric®) from mouse embryonic ovaries. Therefore, a short and relevant list of genes was obtained. Thus, a study of results linked to ovarian differentiation permitted to identify nine new candidate genes that were in silico validated. These genes might be biologically tested (i.e. RT PCR) by the scientific community.

En dépit des avancées considérables dans les traitements pharmacologiques et chirurgicaux de l'ischémie critique des membres inférieurs et de l'insuffisance cardiaque ischémique, ces pathologies demeurent un problème majeur de santé publique. La thérapie génique angiogénique est apparue comme une approche attractive pour restaurer la perfusion du tissu ischémique alors que le transfert de gènes non angiogéniques permet de rétablir la fonction contractile cardiaque. Cependant la thérapie génique utilisant un seul gène thérapeutique a produit jusque là des résultats modestes en clinique; la thérapie combinée apparaît alors comme une stratégie plus prometteuse. L'efficacité de la thérapie génique nécessite des vecteurs de transfert de gènes optimisés, notamment pour fonctionner dans des conditions de stress où la traduction de la majorité des ARNm cellulaires est bloquée. En réponse au stress, un petit nombre d'ARNm est traduit par un mécanisme alternatif impliquant des IRES (Internal Ribosome Entry Site), éléments structurels des ARNm pouvant être considérés comme des activateurs traductionnels. Les IRES constituent de plus des outils biotechnologiques permettant de construire des cassettes d'expression dites "multicistroniques" exprimant des combinaisons de molécules thérapeutiques. La première étape de ma thèse a porté sur l'étude de la régulation de l'IRES du FGF1 (Fibroblast Growth Factor 1), identifié au laboratoire pour sa forte activité dans les cellules musculaires qui en fait un outil de choix pour le transfert de gènes dans le muscle squelettique ou cardiaque. Cette partie plus fondamentale nous a amenés à identifier deux protéines liées à l'IRES et au promoteur : hnRNPM et p54nrb. L'inhibition et la surexpression de ces protéines ont permis de démontrer qu'elles activent la traduction IRES-dépendante au cours de la différenciation myoblastique, et ce, de façon promoteur-dépendante. La seconde étape a été de développer, grâce à l'IRES du FGF1, un AAV (adeno-associated vector) exprimant deux facteurs angiogéniques ayant une activité synergique: FGF2 et Cyr61. Ce vecteur viral a été testé dans un modèle murin d'ischémie de la patte. Les résultats ont montré que l'AAV FGF2-Cyr61 présente un bénéfice thérapeutique important lorsqu'il est injecté à un animal ischémique, mais produit un effet délétère s'il est injecté plusieurs semaines avant la mise en place de l'ischémie. La troisième étape qui est le cœur de cette thèse a été de développer une série de lentivecteurs mono-, bi- et tricistroniques exprimant différentes molécules pro-angiogéniques et cardio-protectrices : FGF2, Cyr61, apeline et SERCA2a. Ces vecteurs ont été injectés en phase aiguë de l'infarctus du myocarde chez la souris afin d'étudier leur potentiel thérapeutique sur l'insuffisance cardiaque chronique qui se développe après plusieurs semaines. Les résultats indiquent que le lentivecteur apeline-FGF2-SERCA2a engendre un bénéfice thérapeutique significativement supérieur à celui des autres lentivecteurs testés. En particulier, les analyses échocardiographiques et d'immuno-histochimie ont permis de mettre en évidence une amélioration de la fonction contractile, une augmentation de l'angiogenèse et une diminution du remodelage cardiaque. Cette combinaison présente donc un potentiel prometteur en vue d'un essai clinique. D'autre part, une autre combinaison produisant trois facteurs sécrétés, apeline, FGF2 et Cyr61, démontre une activité très significative sur la tubulogenèse de cellules endothéliales in vitro à partir de milieux conditionnés de cardiomyocytes transduits. Ce résultat a ouvert la perspective d'augmenter l'effet thérapeutique de cellules souches mésenchymateuses (CSM) lors de l'ischémie cardiaque, en modifiant génétiquement ces CSM à l'aide du lentivecteur angiogénique apeline-FGF2-Cyr61. / Despite of considerable advances in the pharmacological and surgical treatments of critical limb ischemia and ischemic heart failure, these pathologies remain an important problem of public health. Angiogenic gene therapy appears as an attractive approach to restore ischemic tissue perfusion whereas non-angiogenic gene transfer allows improvement of cardiac contractile function. However, gene therapy using only one therapeutic gene has delivered poor results in clinical studies; combined gene therapy appears then as a more promising strategy. Gene therapy efficacy needs optimized gene transfer vectors, particularly in stress conditions where translation of the majority of cellular mRNAs is blocked. In response to stress, a small number of mRNAs is translated by an alternative mechanism involving IRESs (Internal Ribosome Entry Sites), structural elements of mRNAs that can be considered as translational enhancers. Moreover IRESs constitute biotechnological tools to design "multicistronic" cassettes, expressing combinations of therapeutic molecules. The first step of my thesis has been to study the regulation of the FGF1 (Fibroblast Growth Factor 1) IRES identified in the lab for its strong activity in muscular cells. This feature makes it a choice tool for gene transfer in skeletal or cardiac muscle. This more fundamental part led us to identify two proteins associated to the FGF1 IRES and promoter: hnRNPM and p54nrb. Knock-down or overexpression of these proteins showed that they activate IRES-dependent translation during myoblast differentiation, and in a promoter-dependent manner. The second step has been to develop, using the FGF1 IRES, an AAV (adeno-associated vector) expressing two angiogenic factors showing a synergistic activity: FGF2 and Cyr61. This viral vector has been assessed in a murin model of hind limb ischemia. Results show that the AAV expressing FGF2 and Cyr61 generates an important therapeutic benefit when injected to an ischemic animal, but produces a deleterious effect when injected several weeks before the development of ischemia. The third step, which is the heart of this thesis, was to develop a series of mono-, bi- and tricistronic lentivectors expressing different pro-angiogenic and cardio-protective molecules: FGF2, Cyr61, Apelin and Serca2a. Those vectors have been injected in acute phase of myocardium infarction in mice, in order to study their therapeutic potential on chronic heart failure developping after a few weeks. Results indicate that the Apelin-FGF2-Serca2a lentivector generates a therapeutic benefit significantly higher than the other tested lentivectors. In particular, echocardiography and immunohistochemistry analyses enabled us to highlight an improvement of contractile function, angiogenesis and a decrease of heart failure. This therapeutic combination presents a promising potential for clinical trial. Furthermore, another combination producing three secreted factors, Apelin, FGF2 and Cyr61, shows a significant stimulation of endothelial cell tubulogenesis in vitro from transduced cardiomyocytes conditioned medium. This result opens the perspective of enhancing the therapeutic effect of mesenchymal stem cells in heart ischemia, by genetically modifying those MSCs with the Apelin-FGF2-Cyr61 angiogenic lentivector.

Les maladies cardiovasculaires représentent un enjeu majeur pour la santé humaine. D'après l'OMS, ce sont même la première cause de mortalité dans le monde. Ces maladies peuvent évoluer en insuffisance cardiaque (IC), c'est-à-dire en incapacité du cœur à fournir aux organes une quantité d'oxygène suffisante. Il n'existe pas de traitement curatif pour l'insuffisance cardiaque. Des traitements de plus en plus performants ont été développés pour prendre en charge les symptômes, améliorer la qualité de vie du patient et ralentir la progression de la pathologie. La Recherche s'oriente également vers des thérapies innovantes, comme stimuler la régénération des cardiomyocytes adultes ou encore la thérapie génique. Un biomarqueur est défini comme " une caractéristique mesurée de manière objective et évaluée comme un marqueur de processus biologiques, physiologiques, pathologiques ou de réponse pharmacologique à une intervention thérapeutique ". Des biomarqueurs de l'insuffisance cardiaque sont déjà communément utilisés, en majorité sous leur forme circulante. De nombreuses études ont établi leur efficacité (diagnostic, pronostic, suivi thérapeutique) mais également leurs limitations (manque de spécificité, variabilité...). La recherche de nouveaux biomarqueurs a pour objectif de trouver des molécules performantes sans les limitations des biomarqueurs connus. Notre équipe possède plusieurs cohortes de patients, que nous avons-nous-même constitué en partenariat avec le service de cardiologie de l'hôpital universitaire Toulouse Rangueil ou grâce à des partenariats avec des équipes de recherche étrangères. Nous avons utilisé une approche de criblage sans à priori (protéome urinaire avec EC-SM) pour identifier de nouveaux biomarqueurs de l'insuffisance cardiaque. Nous avons identifié une molécule d'intérêt, l'Insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP2). J'ai étudié les capacités de diagnostic et de pronostic de cette molécule pour l'insuffisance cardiaque. J'ai également contribué à des essais cliniques avec des biomarqueurs déjà connus (Galectine-3 et sST2) avec l'objectif de répondre à des problématiques nouvelles. En parallèle, j'ai participé à une étude sur un modèle murin transgénique avec une surexpression cardiospécifique d'IGFBP2 afin de comprendre le(s) mécanisme(s) d'action de cette molécule et son rôle dans la physiopathologie de l'insuffisance cardiaque. J'ai par ailleurs participé à l'étude d'une molécule découverte par l'équipe, l'apolipoprotéine O (APOO) qui est régulée et participe aux mécanismes physiopathologiques mis en place dans le cœur en cas de stress tel que le diabète ou l'obésité. Les résultats ont montré une corrélation entre l'action de l'APOO et la régulation du métabolisme lipidique, de l'apoptose et de l'autophagie. Ces trois processus jouent un rôle dans le développement de l'insuffisance cardiaque, d'où l'hypothèse de considérer l'APOO comme un biomarqueur potentiel de l'IC. Nous souhaitons utiliser les cohortes de patients IC à notre disposition pour tester/valider la capacité de diagnostic ou pronostic de cette molécule. Nous souhaitons approfondir les études cliniques autour d'IGFBP2, en étudiant des sous-groupes de patients selon l'étiologie de l'insuffisance cardiaque par exemple. En mettant en place une étude prospective, nous pourrions déterminer l'intérêt d'un dosage en série d'IGFBP2 pour le suivi thérapeutique du patient IC. De nouveaux modèles d'étude pour la Recherche fondamentale (modèles murins, lignée de cardiomyocytes H9c2) nous permettront de comprendre le rôle physiopathologique d'IGFBP2. / Cardiovascular diseases are a major concern for human health. According to the health word organization (HWO), they are the first cause of mortality. They can progress into heart failure, which is the inability of the heart to supply enough oxygen quantity for all the organs. There is no cure for heart failure, treatments more and more performing are developed to take care of symptoms, improve quality of life and stop the progression of the disease. Research is heading toward innovative therapies, like stimulating cardiomyocytes regeneration or gene therapy. A biomarker is defined as "a characteristic measured objectively and evaluated as a marker of biological, physiological, pathological processes or therapeutic response". Heart failure biomarkers are commonly used, mainly under circulating form. Several studies established their efficiency (diagnostic, prognostic, therapeutic adjustment) and their limitations (limited specificity, variability...). Discovery of new biomarkers aims to find performing molecules without those limitations. Our team has access to several cohorts of heart failure patients, our cohort (IBLOMAVED) recruited with our partnership with the cardiology unit of Toulouse University hospital and other cohorts furnished by partner teams. We use a screening approach (urinary proteome with CE-MS) to discover new biomarkers for heart failure. We identified a potential target, Insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP2). I studied diagnostic and prognostic capacity of IGFBP2 in our cohorts. I participated to clinical trials with known heart failure biomarkers (Galectin-3 and sST2) in order to respond to new problematics. I also worked with transgenic mice over expressing IGFBP2 in the heart to obtain data on the possible role of IGFBP2 in the physiopathology of heart failure. The study of the apolipoprotein O (APOO) is a major research topic of the team. APOO is up-regulated in the heart during obesity or diabetes and participates to physio pathological mechanisms taking place in the heart in response to stress. The results showed a correlation between APOO function and the regulation of lipid metabolism, apoptosis and autophagy. These processes are involved in the development of heart failure, which suggests that APOO is as a potential biomarker. We intend to test/validate the diagnostic or prognostic capacity of APOO in our cohorts. We will continue our clinical trials with IGFBP2, by example investigating the prognostic capacity according to the etiology of heart failure or to the treatments received by the patients. With a prospective study, we could validate the usefulness of serial measurements of IGFBP2 for therapeutic adjustment. Novel models for fundamental research (mice, cell lines) will be used to get more information about the physio pathological role of IGFBP2.

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