Le couple CXCL12/CXCR4 joue un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs) et constitue un axe clé par lequel les niches et les CSPHs communiquent au sein de la moelle osseuse (MO). Des mutations hétérozygotes du gène CXCR4, qui tronquent le domaine C-terminal de la protéine et entraînent un défaut de désensibilisation homologue de CXCR4 et une hypersensibilité à CXCL12, ont été identifiées dans le Syndrome WHIM (SW), une immunodéficience rare caractérisée notamment par une lymphopénie. Les mécanismes sous-jacents de cette anomalie restaient inconnus. Grâce à un modèle murin porteur d’une mutation gain de fonction de Cxcr4 identifiée chez certains patients et phénocopiant la lymphopénie du SW, nous avons exploré la possibilité qu’un défaut de domiciliation, de différenciation ou d’expansion des CSPHs dans la MO soit à l’origine de la lymphopénie circulante. Nous avons mis en évidence que la désensibilisation de Cxcr4 régule la balance quiescence/cycle des CSHs à court terme ainsi que leur différenciation en progéniteurs multipotents et progéniteurs engagés vers le lignage lymphoïde. Nos travaux révèlent donc que la désensibilisation de Cxcr4 est requise à la différenciation lymphoïde des CSPHs et suggèrent que l’absence de ce processus soit à l’origine de la lymphopénie observée chez les souris mutantes et, par extrapolation, chez les patients. Ces altérations lymphoïdes impliquaient à la fois des défauts intrinsèques (CSPHs) et extrinsèques (stroma), ce qui nous a conduit à considérer l’impact de la mutation gain de fonction de Cxcr4 sur le stroma médullaire. Dans ce contexte, l’objectif principal de mon projet de thèse a consisté à investiguer à l’aide du modèle murin du SW le rôle de la désensibilisation de Cxcr4 dans le maintien des composantes mésenchymateuses au sein de la MO. Nos données ont permis de mettre en lumière que la désensibilisation de Cxcr4 est intrinsèquement requise à la régulation de l’équilibre quiescence/cycle des cellules souches mésenchymateuses (CSMs), ainsi qu’à la préservation de leur potentiel ostéogénique en contrôlant l'expression et la biodisponibilité de Cxcl12 de manière autocrine. Par conséquent, nos travaux suggèrent que les actions autocrines et paracrines de l’axe de signalisation Cxcl12/Cxcr4 au sein des CSMs régulent leur différenciation en ostéoblastes tout en contribuant au maintien des niches des CSPHs et au processus d’hématopoïèse. / The CXCL12/CXCR4 signaling axis plays an essential role in the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) homeostasis and constitutes a key pathway through which the niches and HSPCs communicate in the bone marrow (BM). Heterozygous gain-of-function mutations of CXCR4, which engender a truncated receptor and affect its homologous desensitization in response to CXCL12, have been reported in the WHIM Syndrome (WS); a rare immunodeficiency notably characterized by lymphopenia. The mechanisms underpinning this remain obscure. Using a mouse model harboring a naturally occurring WS-linked Cxcr4 gain-of-function mutation, we explored the possibility that the lymphopenia in WS arise from defects at the HSPC level in the BM. We showed that Cxcr4 desensitization is required for proper quiescence/cycling balance of short-term HSCs as well as their differentiation into multipotent progenitors and downstream lymphoid-biased progenitors. Thus, our results suggest that efficient Cxcr4 desensitization is critical for lymphoid differentiation of HSPCs, and its impairment is a key mechanism underpinning the lymphopenia observed in WS mice. The role of Cxcr4 desensitization in regulating such lympho-hematopoiesis process implicated both intrinsic and extrinsic properties, thus raising the question of the impact of a gain-of-Cxcr4-function mutation on BM stroma. Therefore, the main part of my PhD project was dedicated to evaluate using this relevant knock-in model the impact of Cxcr4 desensitization on maintenance of BM mesenchymal elements. We have found unexpectedly that such regulatory mechanism is intrinsically required for regulating quiescence/cycling balance of mesenchymal stem cells (MSCs) and preserving their osteogenic potential through the control of Cxcl12 expression and availability in an autocrine manner. Therefore, these findings support autocrine and paracrine actions of the Cxcl12/Cxcr4 signaling axis within MSCs to regulate osteoblast differentiation while contributing to HSPC niches and hematopoiesis.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Chez les mammifères, rétablissement de la circulation est critique pour la formation des différents organes et la programmation du développement embryonnaire. Ceci implique la formation du cœur et des vaisseaux et la différenciation des cellules hématopoïétiques. Malgré leur importance pour la formation des vaisseaux, les mécanismes cellulaires et moléculaires qui régulent la différenciation et la fonction des cellules endothéliales demeurent peu compris. L'identification de facteurs de transcription impliqués dans la régulation du programme génétique et ou de la différenciation endothéliale pourrait aider à élucider les diverse étapes du développement vasculaire. Au cours de cette étude, nous avons cherché à identifier de nouveaux gènes, potentiellement des facteurs de transcription qui seraient régulés durant les étapes précoces de la différenciation endothéliale. A cette fin, nous avons utilisé un modèle in vitro de différenciation endothéliale pour isoler des gènes dont l'expression est induite tôt durant ce processus. Ceci a permis le clonage et la caractérisation d'un nouveau gène qui code pour END01, une nouvelle protéine à domaine PHD finger régulée durant la différenciation précoce des cellules endothéliales. END01 est une protéine de 26.6 kd exprimée dans le cytoplasme et dans les corps nucléaires. Les analyses fonctionnelles indiquent qu'ENDOl est un activateur transcriptionel d'au moins un promoteur endothélial, l'endothélinel. L'expression d'ENDOl dans les cellules endothéliales des vaisseaux, dans l'endocarde, dans les cellules sanguines, dans différentes lignées hématopoïétiques et dans le foie fetal suggère un rôle d'ENDOl au cours du développement des cellules endothéliales et hématopoïétiques. L'expression d'ENDOl dans ces deux types cellulaires suggère qu'il s'agit d'un marqueur des hémangioblastes précurseurs communs des cellules endothéliales et hématopoïétiques. L'analyse de ce marqueur aidera à mieux comprendre le développement et la différenciation endothéliale dans le contexte du développement vasculaire normal et de l'angiogénèse.

Les transplanteurs ont actuellement trois options lorsqu'ils doivent choisir une source de cellules pour la greffe de cellules souches hématopoïétiques soit le sang de cordon, la moelle osseuse ou le sang périphérique mobilisé. Les cellules souches hématopoïétiques retrouvées dans le sang des adultes sains pourraient toutefois être une autre option intéressante pour la transplantation. Les résultats de cette présente étude, récemment publié dans la revue Cytotherapy, montrent le potentiel des cellules CD34+ trappées dans les chambres de leucoréduction à générer les différentes lignées cellulaires retrouvées dans le sang. Un système de culture in vitro en milieu sans sérum et en condition hypoxique a été mis a point. La différenciation des cellules dans l'hématopoïèse durant la culture a été caractérisée par analyse multiparamétrique du phénotype avec SPADE. L'expansion a généré une grande hétérogénéité populationnelle mais principalement des progéniteurs engagés vers l'érythropoïèse et la mégacaryopoïèse.

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

Cette thèse est consacrée au développement de modèles mathématiques de l'hématopoïèse et de maladies du sang. Elle traite du développement de modèles hybrides discrets continus et de leurs applications à la production de cellules sanguines (l'hématopoïèse) et de maladies sanguines telles que le lymphome et le myélome. La première partie de ce travail est consacrée à la formation de cellules sanguines à partir des cellules souches de la moelle osseuse. Nous allons principalement étudier la production des globules rouges, les érythrocytes. Chez les mammifères, l'érythropoïèse se produit dans des structures particulières, les îlots érythroblastiques. Leur fonctionnement est régi par de complexes régulations intra et extracellulaire mettant en jeux différents types de cellules, d'hormones et de facteurs de croissance. Les résultats ainsi obtenus sont comparés avec des données expérimentales biologiques ou médicales chez l'humain et la souris. Le propos de la deuxième partie de cette thèse est de modéliser deux maladies du sang, le lymphome lymphoblastique à cellules T (T-LBL) et le myélome multiple (MM), ainsi que leur traitement. Le T-LBL se développe dans le thymus et affecte la production des cellules du système immunitaire. Dans le MM, les cellules malignes envahissent la moelle osseuse et détruisent les îlots érythroblastiques empêchant l'érythropoïèse. Nous développons des modèles multi-échelles de ces maladies prenant en compte la régulation intracellulaire, le niveau cellulaire et la régulation extracellulaire. La réponse au traitement dépend des caractéristiques propres à chaque patient. Plusieurs scénarios de traitements efficaces, de rechutes et une résistance au traitement sont considérés. La dernière partie porte sur un modèle d'équation de réaction diffusion qui peut être utilisé pour décrire l'évolution darwinienne des cellules cancéreuses. L'existence de “pulse solutions”, pouvant décrire localement les populations de cellules et leurs évolutions, est prouvée / The thesis is devoted to mathematical modeling of hematopoiesis and blood diseases. It is based on the development of hybrid discrete continuous models and to their applications to investigate production of blood cell (hematopoiesis) and blood diseases such as lymphoma and myeloma. The first part of the thesis concerns production of blood cells in the bone marrow. We will mainly study production of red blood cells, erythropoiesis. In mammals erythropoiesis occurs in special structures, erythroblastic islands. Their functioning is determined by complex intracellular and extracellular regulations which include various cell types, hormones and growth factors. The results of modeling are compared with biological and medical data for humans and mice. The purpose of the second part of the thesis is to model some blood diseases, T cell Lymphoblastic lymphoma (T-LBL) and multiple myeloma (MM) and their treatment. TLBL develops in the thymus and it affects the immune system. In MM malignant cells invade the bone marrow and destroy erythroblastic islands preventing normal functioning of erythropoiesis. We developed multi-scale models of these diseases in order to take into account intracellular molecular regulation, cellular level and extracellular regulation. The response to treatment depends on the individual characteristics of the patients. Various scenarios are considered including successful treatment, relapse and development of the resistance to treatment. The last part of the thesis is devoted to a reaction-diffusion model which can be used to describe Darwinian evolution of cancer cells. Existence of pulse solutions, which can describe localized cell populations and their evolution, is proved

Les plaquettes sanguines ont comme rôle principal d’arrêter les saignements. Elles sont produites dans la moelle osseuse par des mégacaryocytes (MK) qui proviennent de la différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH). L’objectif de ma thèse a été d’identifier les éléments cellulaires du microenvironnement contrôlant la mégacaryopoïèse. Mon travail a permis d’identifier une population particulière de progéniteurs hépatiques du foie foetal capable de promouvoir in vitro les étapes précoces de la mégacaryopoïèse à partir de CSH humaines et murines (Brouard et al., 2017). Le rôle des cellules endothéliales (EC) dans les étapes tardives de maturation a été étudié après purification à partir de moelle humaine dans des expériences de co-culture avec des MK prédifférenciés. Mes résultats montrent que ces EC ont la propriété unique, par comparaison avec des EC d’autres tissus, de promouvoir la maturation des MK. Une analyse transcriptionnelle différentielle a permis d’identifier des effecteurs possibles ouvrant des pistes pour mieux comprendre les mécanismes de la mégacaryopoïèse et pour améliorer la production des plaquettes en culture. / The main role of platelets is to stop bleeding. They are produced in the bone marrow by megakaryocytes (MK) that are produced by the differentiation of hematopoietic stem cells (HSC). The objective of my thesis was to identify the cellular elements of the microenvironment controlling megakaryopoiesis. My work has identified a particular population of hepatic progenitors from the fetal liver capable of promoting in vitro the early stages of megakaryopoiesis from human and murine HSC (Brouard et al., 2017). The role of endothelial cells (EC), purified from human bone marrow, in late maturation stages was studied in co-culture experiments with predifferentiated MK. My results show that these EC have the unique property in comparison with EC from other tissues, of promoting the maturation of MK. A differential transcriptional analysis identified possible effectors that could lead to a better understanding of the mechanisms of megakaryopoiesis and improve platelet production in culture.

La niche des cellules souches hématopoïétiques représente un compartiment complexe et radiosensible. Sa protection est nécessaire pour la restauration de l'hématopoïèse faisant suite à la myélosuppression due à l'exposition aux rayonnements ionisants. Nous avons dans un premier temps étudié l'effet des RI sur les progéniteurs endothéliaux et mésenchymateux de la niche par une étude de radiosensiblilité et une étude d'évaluation de la mort cellulaire. Nous avons proposé par la suite une stratégie innovante de thérapie génique basée sur la sécrétion locale et à court terme du morphogène Sonic hedgehog visant à favoriser la réparation de niche vasculaire et de stimuler les cellules souches hématopoïétiques et les cellules progénitrices résiduelles. Nous avons étudié la réponse hématopoïétique des singes irradiés à 8-Gy gamma après une seule injection intra-osseuse de cellules souches mésenchymateuses xénogéniques, multipotentes et d'origine adipocytaire transfectées avec un plasmide pIRES2-eGFP codant la protéine Shh. La durée de thrombocytopénie et celle de neutropénie ont été significativement réduites chez les animaux greffés et les clonogènes sont normalisés à partir du 42e jour. Les aires sous la courbe des numération des plaquettes et des neutrophiles entre 0 et 30 jours ont été significativement plus élevée chez les animaux traités que chez les témoins. La greffe d'explants de MatrigelTM colonisés ou non avec des ASC chez des souris immunodéprimées a démontré une activité pro-angiogénique notable des ASC transfectées avec le plasmide Shh . Le suivi à long terme (180 à 300 jours) a confirmé une reconstitution durable dans les quatre singes greffés. Globalement cette étude suggère que la greffe de cellules souches multipotentes Shh-peut représenter une nouvelle stratégie pour la prise en charge des dommages radio-induits de la niche. / The hematopoietic stem cell niche represents a complex radiosensitive compartment whose protection is required for recovery from radiation-induced myelosuppression. We initially studied RI effects on endothelial and mesenchymal progenitors by an evaluating radiosensitivity and cell death. Then, we have proposed a new gene therapy strategy based on local and short term secretion of Sonic hedgehog morphogene to favour vascular niche repair and to stimulate residual hematopoietic stem and progenitor cells. We investigated the hematopoietic response of 8-Gy gamma irradiated monkeys to a single intra-osseous injection of xenogeneic multipotent mesenchymal stem cells transduced with a Shh pIRES2 plasmid. Thrombocytopenia and neutropenia duration were significantly reduced in grafted animals and clonogenics normalized from day 42. Areas under the curve of PLTs and ANCs between day 0 and day 30 were significantly higher in treated animals than in controls. Grafting MatrigelTM colonized or not with ASC in immunocompromized mice demonstrated a notable pro-angiogenic activity for Shh-ASC. Long term follow up (180-300 days) confirmed a durable recovery in the four grafted monkeys. Globally this study suggests that grafting Shh-multipotent stem cells may represent a new strategy to cure radiation-induced niche damage.

Dans l'embryon de vertébrés l'hématopoïèse se met en place à partir de deux vagues successives de précurseurs hématopoïétiques (PH). Alors que les précurseurs de la première vague, générée dans le Sac Vitellin (SV), présentent des capacités de maintenance et de différenciation réduites, ceux qui sont issus de la seconde présentent toutes les caractéristiques des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Elles sont en effet capables de se différencier dans tous les lignages sanguins et permettent d'assurer, à long terme, la reconstitution hématopoïétique de souris létalement irradiées.<br />Le facteur de transcription GATA-3 est exprimé dans l'embryon au cours des phases de détermination et de génération des CSH. Il n'est jamais exprimé aux stades équivalents dans le SV. GATA-3 pourrait jouer un rôle important dans la génération des CSH et dans l'acquisition des propriétés différentes des précurseurs hématopoïétiques des deux sites.<br />Nous avons développé une démarche expérimentale permettant d'effectuer l'analyse fonctionnelle de gènes présentant une expression différente entre les deux sites de génération des précurseurs hématopoïétiques de l'embryon. Nous avons sélectionné l'électroporation in situ pour perturber l'expression génique au moment de la détermination de ces précurseurs, et la transduction rétrovirale pour cibler les PH au moment de leur génération.<br />Nous avons réalisé l'expression ectopique de GATA-3 dans les PH du SV en utilisant l'infection rétrovirale. Nos résultats montrent que GATA-3 est capable d'amplifier et de maintenir des PH immatures. Des tests effectués en parallèle en effectuant l'expression forcée de GATA-5 (naturellement absent du SV), ou la surexpression GATA-1, nous ont permis de conclure à la spécificité de ces effets. De façon remarquable, GATA-3 est également capable d'amplifier une population répondant à un phénotype de type mésodermique/pré-hématopoïétique.<br />En conclusion, nos résultats montrent que GATA-3 pourrait être impliqué dans les phénomènes liés au maintien du contingent de CSH.

Mon travail de thèse porte sur l’étude du rôle de l’histone acétyl-transférase MOZ et de l’histone méthyle-transférase MLL dans l’hématopoïèse. Elles contrôlent l’expression de nombreux gènes, nottament des gènes HOX, des facteurs de transcription connus pour leur rôle dans l’hématopoïèse normale et pathologique. Les deux protéines ont des gènes cibles communs tel qu'HOXA9. Ces observations nous ont conduit à rechercher une coopération fonctionnelle entre MOZ et MLL. Nous avons montré que MOZ était associée avec MLL dans les cellules souches/progénitrices humaines CD34+ afin d’activer la transcription des gènes HOXA5, HOXA7 et HOXA9. En effet, les deux protéines interagissent et sont recrutées au niveau de leur promoteur. Nous avons mis en évidence une interférence fonctionnelle entre ces deux facteurs épigénétiques, puisque MOZ est nécessaire au recrutement et à l’activité enzymatique de MLL au niveau des gènes HOXA5, HOXA7 et HOXA9 et réciproquement.Afin de caractériser le mécanisme d’action impliquant la coopération entre MOZ et MLL, nous avons recherché d’autres partenaires associés à ce duo. Nous avons identifié la Symplekin, un membre de la machinerie de polyadénylation. Nous avons mis en évidence l’interaction de la Symplekin avec MOZ et MLL dans les cellules de la lignée hématopoïétique humaine KG1. Les trois protéines sont co-recrutées sur le promoteur du gène HOXA9. Nous avons démontré le rôle ambivalent de la Symplekin. Bien qu’elle soit importante pour la polyadénylation et par conséquent pour la stabilité de l’ARN Hoxa9, la Symplekin empêche le recrutement de MOZ et de MLL au niveau du gène HOXA9, conduisant ainsi à une diminution de sa transcription. / My thesis project has consisted of the study of MOZ, and MLL. They are epigenetic regulators. MOZ and MLL activate transcription of HOX genes, which are transcription factors essential during haematopoiesis. MOZ and MLL have some target genes in common. In our study, we characterised a cooperation between MOZ and MLL in human haematopoietic stem/progenitor cells CD34+. They are both recruited onto HOX promoters. MOZ is essential for MLL recruitment, and this is reciprocal. In conclusion, we provided an example of a mechanism involving a direct cross-talk between two histone modifying enzymes.In order to dissect the mechanism of action of this complex, we decided to identify novel proteins interacting with both MOZ and MLL. A member of the RNA polyadenylation machinery has been isolated: Symplekin. We confirmed the interaction between MOZ, MLL and Symplekin in the human haematopoietic immature cell line KG1. We showed that Symplekin is co-recruited to HOXA9 promoter along with MOZ and MLL. We demonstrated the dual role of this member of the polyadenylation machinery. Indeed, besides the fact that Symplekin is important for Hoxa9 polyadenylation, thus its stability, it prevents MOZ and MLL recruitment onto HOXA9 promoter, leading to a decrease of HOXA9 transcription.Our work improved the understanding of the mechanism of action of MOZ and MLL in HOX control.

Les molécules d’adhésion jonctionnelles JAM-B et JAM-C forment une paire récepteur/ligand impliquée dans la régulation de nombreux mécanismes biologiques dont l’inflammation, l’hématopoïèse et la spermatogénèse. Dans la moelle osseuse, l’interaction entre JAM-C et JAM-B, respectivement exprimée par les cellules souches hématopoïétiques (CSH) et les cellules stromales, joue un rôle dans la rétention et la quiescence des CSH. Dans le testicule, JAM-C participe à la polarisation des spermatides en différenciation en interagissant avec JAM-B exprimée par les cellules de Sertoli. GRASP55 (Golgi ReAssembly and Stacking Protein of 55 kDa), identifiée au laboratoire comme un interacteur intracellulaire des protéines JAMs, est une protéine de l’appareil de Golgi participant à l’architecture et la dynamique de celui-ci ainsi qu’au transport protéique non-conventionnel.Le but de mon travail de thèse a été d’étudier le rôle de GRASP55 in vivo par des approches génétiques et pharmacologiques. Nous avons ainsi pu mettre en évidence que l’expression de GRASP55 par la spermatide ronde permet la localisation polarisée de JAM-C et le déroulement correct de la spermatogénèse. A contrario, GRASP55 n’est pas essentiel à l’hématopoïèse en conditions basales ou de stress. Toutefois, la délétion de GRASP-55 dans les cellules leucémiques diminue le progression de la pathologie in vivo. Ces résultats montrent un rôle non redondant de GRASP55 dans la spermatogenèse et la prolifération de cellules leucémiques et ouvrent des pistes possibles pour un ciblage thérapeutique de GRASP55 en hématologie. / The junctional adhesion molecules JAM-B and JAM-C form a receptor / ligand pair involved in regulation of many biological mechanisms including inflammation, hematopoiesis and spermatogenesis. In the bone marrow, the interaction between JAM-C and JAM-B, expressed by hematopoietic stem cells (HSC) and stromal cells respectively, is involved in HSC retention and quiescence. Similarly, in the testis, JAM-C participates in the polarization of differentiated spermatids by interacting with JAM-B expressed by Sertoli cells. GRASP55 (Golgi ReAssembly and Stacking Protein of 55 kDa), identified in our laboratory as a new intracellular interactor of JAM, is a Golgi apparatus protein involved in Golgi architecture and dynamics as well as unconventional secretion.The aim of my thesis was to study the role of GRASP55 in vivo by genetic and pharmacological approaches. We demonstrate that GRASP55 expression by round spermatid allows polarized localization of JAM-C and the correct course of the spermatogenesis. In contrast, GRASP55 is not essential for hematopoiesis in basal or stress conditions. However, deletion of GRASP-55 in leukemic cells decreases the progression of the pathology in vivo. These results show a non-redundant role of GRASP55 in the spermatogenesis and proliferation of leukemic cells and allow us to consider GRASP55 as a potential target in hematology.