Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus. / Important fluctuations of DNA supercoiling occur during transcription in the frame of the “twin supercoiled domain” model. In this model, transcription elongation generates negative and positive supercoiling respectively, upstream and downstream of the moving RNA polymerase. The major role of bacterial topoisomerase I is to prevent the accumulation of transcription-induced negative supercoiling. In its absence, the accumulation of negative supercoiling triggers R-loop formation which inhibits bacterial growth. R-loops are DNA/RNA hybrids formed during transcription when the nascent RNA hybridizes with the template strand thus, leaving the non-template strand single stranded. In cells lacking DNA topoisomerase I, a constant and selective pressure for the acquisition of compensatory mutations in gyrase genes reduces the negative supercoiling level of the chromosome and allows growth. One of these mutations is a thermosensitive gyrase expressed at 37 °C. The overexpression of RNase HI, an enzyme that degrades the RNA moiety of an R-loop, is also able to correct growth inhibition in absence of topoisomerase I. In the presence of topoisomerase I, R-loops can also form when RNase HI is lacking. In these mutants, R-loop formation induces SOS and constitutive stable DNA replication (cSDR). In our study, we show how R-loops formed in cells lacking topoisomerase I or RNase HI can affect bacterial growth. When topoisomerase I is inactivated, the accumulation of hypernegative supercoiling inhibits growth by causing extensive R-loop formation which, in turn, can lead to RNA degradation. As a result of RNA degradation, the accumulation of truncated and functional mRNA instead of full length ones, is responsible for protein synthesis inhibition that alters bacterial growth. The mechanism by which RNA is degraded is not completely clear but our results strongly suggest that RNase HI is involved in this process. More importantly, the major endoribonuclease, RNase E, is not involved in RNA degradation because RNA is degraded before its action. We show also that there is a perfect correlation between RNase HI concentration, the accumulation of hypernegative supercoiling and bacterial growth inhibition. When RNase HI is in excess, no accumulation of hypernegative supercoiling and growth inhibition are observed. The opposite is true when RNase HI is at its wild type level. By preventing the accumulation of hypernegative supercoiling, the overproduction of RNase HI inhibits extensive R-loop formation and RNA degradation, thus, allowing growth. In absence of RNase HI (rnhA) and in presence of topoisomerase I, R-loops are also responsible for an inhibition in gene expression, including stress genes such as rpoH and grpE. The inhibition of gene expression is not related to RNA degradation as seen in absence of topoisomerase I but it is rather related to a reduction in gene expression. In absence of RNase HI, the diminution of genes expression is responsible for a reduction in the cellular level of proteins, which negatively affects bacterial growth and bacterial survival to heat shock and oxydative stress. Additional mutations in RecA, the protein that activates SOS and cSDR after R-loop formation in rnhA, do not correct this phenotype in rnhA. Thus, SOS and cSDR are not directly involved in the inhibition of gene expression in the absence of RNase HI. In absence of topoisomerase I, growth inhibition resumes when hypernegative supercoiling is reduced. When compared to wild type strains, DNA is very relaxed in absence of RNase HI and topoisomerase I. It seems that R-loop formation induces the relaxation of negatively supercoiled DNA. All this strongly supports the idea that negative supercoiling plays an important role in R-loop formation. Finally, our work shows how essential negative supercoiling regulation is for cell physiology. By preventing R-loop formation, regulation of negative supercoiling allows optimal gene expression, which is crucial for cellular growth and for stress survival. Both topoisomerase I and RNase HI play an important and complementary role in this process.

Les facteurs de transcription Pitx ont été impliqués dans la croissance et la détermination de l’identité des membres postérieurs. D’abord, l’inactivation de Pitx1 chez la souris résulte en la transformation partielle des membres postérieurs en membres antérieurs. Ensuite, la double mutation de Pitx1 et de Pitx2 a montré l’activité redondante de ces facteurs pour la croissance des membres postérieurs. Ainsi, les souris mutantes Pitx1-/-;Pitx2néo/néo montrent une perte des éléments squelettiques proximaux et antérieurs. Des travaux récents ont impliqué les gènes de la famille des Iroquois dans le développement des membres. Tout particulièrement, les souris Irx3-/-;Irx5-/- montrent la perte des éléments squelettiques proximaux et antérieurs, exclusivement au niveau des membres postérieurs. Cette phénocopie entre les souris mutantes pour Pitx1/2 et Irx3/5 nous a amenés à poser trois hypothèses : (1) les Pitx sont responsables de l’expression de Irx dans les bourgeons postérieurs ; (2) à l’inverse, les Irx dirigent l’expression des Pitx ; (3) les Pitx et les Irx participent ensemble au programme génétique de croissance des bourgeons postérieurs. Nous avons pu conclure que les Pitx et les Irx font partie de cascades de régulation indépendantes l’une de l’autre et qu’ils sont capables d’interaction transcriptionnelle autant sur un promoteur générique que sur des régions conservées du locus de Tbx4. Enfin, autant l’inactivation Pitx que celle des Irx mène à un retard d’expression de Pax9 exclusivement dans les bourgeons postérieurs. Ainsi, les Pitx et les Irx semblent agir sur des programmes génétiques parallèles impliqués dans la croissance et le patterning des membres postérieurs. / The Pitx transcription factors have been implicated in growth and specification of hindlimb identity. First, Pitx1 gene inactivation in mice results in partial transformation of hindlimbs into forelimbs. Further, Pitx1 and Pitx2 have redundant activity for hindlimb growth as demonstrated in double mutant mice for Pitx1 and Pitx2. Indeed, Pitx1-/-;Pitx2neo/neo mice show loss of proximal (femur) and anterior (ilium, tibia and first digit) skeletal structures. A collaborator, Dr C. C. Hui of Toronto University, has demonstrated the importance of the Iroquois (Irx) family transcription factors in hindlimb development. Irx3-/-;Irx5-/- mice show loss of proximal and anterior skeletal structures, exclusively in hindlimbs, even if Irx are expressed in the two limb pairs. This phenocopy between Pitx and Irx mutants led us to investigate the interaction between these transcription factors with three hypotheses : (1) Pitx control Irx expression in hindlimb buds ; (2) the Irx direct Pitx gene expression in hindlimb bud ; (3) Pitx and Irx participate together in a growth regulation cascade in hindlimb buds. Our analyses led us to conclude that Pitx and Irx are in independant genetic cascade in hindlimb buds. However, we observed that Pitx and Irx transcription factors are capable of transcriptionnal interactions assessed using either a generic promoter or conserved regions of the Tbx4 locus. Finally, inactivation of either Pitx or Irx led to a delay of Pax9 expression exclusively in hindlimb buds. In sum, Pitx and Irx gene appear to act on parallel genetic programs involved in control of hindlimbs growth and patterning.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La transplantation d'hépatocytes est un procédé séduisant pour remplacer les cellules déficientes dans un foie anatomiquement normal. Dans les maladies métaboliques héréditaires hépatiques (MMHH), la thérapie cellulaire présente un potentiel espoir thérapeutique. Le remplacement d'un pourcentage restreint (5-10%) d'hépatocytes déficients par des hépatocytes normaux pourrait rétablir durablement la fonction métabolique. Les résultats des essais cliniques de transplantation d'hépatocytes génétiquement modifiés ou non sont moins concluants, montrent une prise de greffe insuffisante et, dans la plupart des études, un effet thérapeutique transitoire. L'efficacité limitée de la transplantation d'hépatocytes isolés dans le traitement des MMHH semble en partie liée au faible pourcentage de la masse hépatocytaire reconstituée par les hépatocytes définitivement greffés et fonctionnels. De nombreux modèles animaux ont été développés pour étudier les facteurs pouvant augmenter le nombre et le pourcentage d'hépatocytes transplantés et greffés. Cependant, la majorité de ces modèles ne sont pas transposables en clinique car ils présentent des risques importants ou mal évalués pour les patients. Les principaux objectifs de ce travail ont été d'étudier des moyens peu invasifs pour induire une régénération hépatique et une prise de greffe hépatocytaire significatives dans le but de développer une nouvelle approche de transplantation d'hépatocytes génétiquement modifiés ex vivo pour le traitement de l'hypercholestérolémie familiale. L'effet d'une embolisation portale partielle (EPP) réversible sur la prolifération hépatocytaire et la régénération hépatique a été évalué chez le macaque. A la différence de l'EPP par un produit non résorbable, il ne s'agit pas d'une approche potentiellement délétère à long terme. Une obstruction veineuse plus complète a été provoquée en utilisant le Curaspon®, une gélatine biodégradable, en forme de poudre. Nous avons démontré pour la première fois dans la littérature l'efficacité d'une EPP réversible à induire une importante prolifération hépatocytaire et régénération hépatique. Nos données suggèrent qu'une occlusion portale initiale et temporaire est suffisante pour déclencher les mécanismes responsables d'une régénération hépatique dans le foie non-embolisé. L'utilisation du Curaspon® en poudre peut être considérée comme la forme la plus évoluée d'EPP : très distale, résorbable, qui dure suffisamment pour induire l'hypertrophie hépatique. Cette technique pourrait être indiquée dans des situations cliniques nécessitant une régénération hépatique de courte durée (ex. le traitement des cancers du foie en plusieurs étapes) ou dans des cas qui ne nécessitent pas une résection hépatique, comme la transplantation d'hépatocytes pour le traitement de MMHH. Ces résultats nous ont permis d'évaluer cette approche dans notre protocole préclinique de thérapie génique pour le traitement de l'hypercholestérolémie familiale chez le primate, par autotransplantation d'hépatocytes génétiquement modifiés ex vivo par un vecteur lentiviral. Nous avons démontré que l'EPP réversible induit une régénération hépatique du foie non-embolisé et améliore notablement les résultats de la transplantation d'hépatocytes isolés génétiquement modifiés exprimant la GFP. Seize semaines après la transplantation, les hépatocytes transduits et greffés exprimaient le transgène contrôlé par le promoteur apo-AII humain. Notre protocole a montré pour la première fois chez un gros animal que l'EPP par un produit résorbable entraine avec des conditions de sécurité optimales une repopulation hépatique importante par des hépatocytes transduits par un vecteur lentiviral, et ceci même à distance de la transplantation hépatocytaire. Les résultats encourageants de ces travaux nous ont ouvert la voie pour avancer sur notre projet préclinique et envisager la réalisation d'une étude clinique de phase I/II pour le traitement de l'hypercholestérolémie familiale.

En génomique comparative, on considère classiquement trois forces déterminant l'évolution des séquences : la mutation, la sélection et la dérive génétique. Récemment, lors de l'étude de l'origine évolutive des variations de la composition en base des génomes, un quatrième agent a été identifié : la conversion génique biaisée (BGC). Le BGC est intimement lié à la recombinaison méiotique et semble présent chez la plupart des eucaryotes. Ce phénomène introduit une surreprésentation de certains allèles dans les produits méiotiques aboutissant à une augmentation de la fréquence de ces variants dans la population. Ce processus est capable de mimer et d'interférer avec la sélection naturelle. Il est donc important de le caractériser afin de pouvoir le distinguer efficacement de la sélection dans l'étude de l'adaptation à l'échelle moléculaire. C'est ce que nous nous attachons à faire dans le cadre de ce travail. Pour cela nous utilisons deux espèces modèles. Premièrement la levure Saccharomyces cerevisiae pour laquelle une carte de recombinaison haute résolution permettant l'analyse du processus de conversion, est disponible. L'étude approfondie de cette carte nous a permis de lever le voile sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le BGC. Deuxièmement, grâce à des découvertes récentes sur la détermination des patrons de recombinaison via la protéine PRDM9 chez les mammifères, nous avons quantifié la dynamique et l'intensité de ce processus dans l'histoire évolutive récente de l'homme. Ces résultats nous ont permis de confirmer la place du BGC comme quatrième force d'évolution moléculaire, mais aussi de discuter de l'origine évolutive de ce phénomène

Les thérapies anticancéreuses ont connu ces dernières années un développement important ayant pour conséquence une amélioration dans la qualité de vie des patients. Cependant la survenue de résistances et la part significative de cancer sans traitement efficace nous oblige à envisager le développement de nouvelles stratégies anticancéreuses. Nous avons développé une nouvelle technique basée sur le principe du gène suicide en utilisant le gène du cytochrome P450 2B6 associé au cyclophosphamide (CPA). Cette technique qui consiste au transfert d'un gène métabolisant une prodrogue anticancéreuse dans la tumeur permet une sensibilisation des tumeurs à cette prodrogue. Le premier objectif de ce travail a consisté à améliorer le métabolisme de la prodrogue en construisant un gène muté du CYP2B6 en fusion avec la réductase, partenaire indispensable du CYP. Dans un deuxième temps nous avons transféré le gène CYP2B6TM-RED dans des cellules tumorales qui sont devenues sensibles au CPA entrainant une éradication des tumeurs. Ces résultats ont été confirmés in vivo sur des modèles de souris immunocompétentes. Nous avons, en plus de l'effet cytotoxique, mis en évidence un important effet bystander et le développement d'une immunité antitumorale spécifique. Ceci nous laisse penser que cette méthode peut permettre de protéger contre les récidives et les métastases. Les bons résultats obtenus dans le développement de cette nouvelle stratégie anticancéreuse, nous laissent espérer d'un futur passage en clinique. Pour cela de nouveaux modèles animaux devront être mis au point pour optimiser le transfert du transgène dans les tumeurs.

La transplantation d'hépatocytes représente une alternative à la transplantation hépatique pour le traitement de certaines maladies métaboliques dont l'hypercholestérolémie familiale. Les cellules souches embryonnaires (ES) et les cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines représentent de nouvelles sources de cellules hépatiques. Nous avons mis au point une approche de différenciation des cellules souches humaines en cellules hépatiques et généré ainsi des cellules dérivées de cellules iPS de patients atteints d'hypercholestérolémie familiale.

La myopathie myotubulaire (XLMTM, OMIM 310400) est causée par des mutations dans le gêne MTM1 situé sur le chromosome X et apparaît à une fréquence de 1/50 000 naissances mâles. Les patients présentent une hypotonie et une faiblesse musculaire généralisées et de graves problèmes respiratoires à la naissance. En absence de traitement, les patients sont nombreux à décéder durant la première année de vie. Mon travail de thèse consiste à développer un traitement de thérapie génique pour la myopathie myotubulaire. L'injection intraveineuse du vecteur thérapeutique rAAV9-DES-Mtm1 chez le modèle murin de la myopathie myotubulaire permet d'obtenir de la protéine transgénique dans l'ensemble des muscles squelettiques de l'organisme. Un an après le traitement, les muscles malades retrouvent une morphologie normale et les souris sont en vie. La seconde partie porte sur l'évaluation des effets de la protéine MTMR2, un homologue de la myotubularine (MTM1), sur le muscle déficient en myotubularine, comme alternative à la thérapie génique avec MTM1. L'administration d'un vecteur AAV comportant le transgène MTMR2 dans le muscle malade améliore, partiellement, le phénotype musculaire. Ces résultats suggèrent que l'augmentation du niveau d'expression de MTMR2 dans le muscle malade pourrait être un traitement efficace. Enfin j'ai étudié le rôle de l'activité phosphatase de la myotubularine dans son action thérapeutique. J'ai comparé l'effet d'une forme inactive de myotubularine (MTMIC375S) à celui du transgène thérapeutique sur le muscle atteint de myopathie myotubulaire. Les résultats montrent que l'activité phosphatase de la myotubularine est nécessaire pour son activité thérapeutique.

Le cancer du col de l'utérus est le troisième cancer le plus fréquent chez la femme, dont l'agent étiologique majeur est l'infection par les papillomavirus humain (notamment HPV-16 et 18), qui sont de petits virus infectant les épithéliums muqueux et cutanés, et pouvant induire la formation de tumeurs. L'inducteur majeur du processus oncogène est le processus d'intégration des régions codantes pour les oncoprotéines E6 et E7, au sein de la cellule hôte suite à l'infection. Elles interférent avec le cycle cellulaire et induisent notamment l'immortalisation, voire la transformation des cellules. Les fonctions les plus connue de ces deux oncoprotéines sont la dégradation des suppresseurs de tumeur p53 et pRb, respectivement. Mon travail de thèse à consisté en la mise au point des vecteurs adénoviraux exprimant des miARN dirigés contre l'oncoprotéine E6. Exprimés in vitro ils induisent l'induction de la mort cellulaire par apoptose des cellules tumorales traitées, via l'activation de la voie de caspases, et in vivo permettent le ralentissement de la croissance de tumeurs xénogreffées à des souris Nude. De plus, la stratégie thérapeutique adénovirale a montré ses extensions possibles sur d'autres types de cancers HPV-positifs, mais également via l'expression de différentes moléculaires thérapeutiques, visant à empêcher l'interaction des oncoprotéines telles qu'E6 avec leurs partenaires cellulaires et ainsi les empêcher d'exercer les activités biologiques impliquées dans le développement de cancers. Pour finir, les adénovirus peuvent également être vu comme des outils d'extinction fonctionnels d'E6 et permettant d'étudier les répercutions sur d'autres processus cellulaires.