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

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

La mélatonine est une neurohormone synthétisée au niveau de la glande pinéale durant la période nocturne chez l'ensemble des mammifères. Les sécrétions de cette hormone circulante par voie sanguine permette à tout système doté de récepteurs mélatoninergiques (MT1, MT2) de transmettre l'information de photopériode entrainant ainsi une adaptation aux périodes jour/nuit. La mélatonine est impliquée dans de nombreuses fonctions biologiques mais aussi dans diverses pathologies du système nerveux central tel que les troubles du rythmes circadien, l'anxiété, la dépression… A l'heure actuelle, il existe de nombreux ligands affins des ces récepteurs, cependant le manque de marqueurs sélectifs ralentit les recherches associées (pharmacologie). Partant de ce constat, nous avons conçu et synthétisé, selon deux approches différentes, des ligands fluorescents utilisant comme squelette de base, la structure de la mélatonine et certains analogues. Dans une première approche dite conventionnelle, les ligands mélatoninergiques sont associés à un fluorophore organique au moyen d'un bras espaceur et dans une seconde approche plus novatrice, le noyau indolique du ligand endogène est fusionné avec un pyrrole par analogie avec les fluorophores de types BODIPYs ®, puis dans une troisième partie, dérivée de la précédente, la mélatonine est fonctionnaliser par un hétérocycle azoté capable de chélater un atome de bore. Les évaluations pharmacologiques de ces composés ont montré de bonnes affinités de l'ordre du nanomolaire pour les récepteurs MT1 et MT2. Les études photophysiques ont confirmé la fluorescence induite par les fluorophores dans l'approche conventionnelle, et ont surtout montré l'existence de fluorescence par simple modification structurale de la mélatonine endogène. Les tests d'imagerie cellulaire ont également permis de valider ces méthodologies. / Melatonin is a main neurohormone synthesized in the pineal gland during the night in all mammals. Secretions of the blood circulating hormone through any system endowed melatoninergic receptors (MT1, MT2) transmit information leading to photoperiod and adaptation of the day / night periods. Melatonin is involved in many biological functions but also in various diseases of the central nervous system such as circadian rhythm disorders, anxiety, depression... Actually, there are many affinity receptors ligands, however, research on the pharmacology and the functionality of melatonin receptors suffers from the lack of selective probes for these two receptors. In order to overcome this scientific obstacle, we designed and synthesized fluorescent melatonin ligands according two different approaches. In a first conventional approach the melatoninergic ligands are tagged with an organic fluorophore via a linker. In a second approach more innovative, the indole ring of the endogenous ligand is fused with a pyrrole in order to obtain a structural analogy with the fluorophores BODIPYs types. In a third series derived from the previous one, melatonin is functionalized with a aza-heterocycle able to chelate a boron atom. Pharmacological evaluations of these compounds have shown nanomolar affinity for the receptors. Photophysical studies confirmed the fluorescence induced by the fluorescent dye in the conventional approach, and induced by simple melatonin structural modifications in the orthers. Preliminary cell imaging have also validated the methodologies.

La mélatonine, hormone "donneuse de temps de l’organisme", en plus de sa synthèse principale dans la glande pinéale est produite dans la rétine où sa régulation et ses fonctions restent partiellement connues chez les mammifères. Le but de mon projet a été de caractériser l’expression temporelle et spatiale de la mélatonine et d’examiner son rôle potentiel dans la physiopathologie rétinienne. Une première partie a révélé au moins deux sites de production de la mélatonine dans la rétine : une synthèse nocturne de l'hormone dans les photorécepteurs de type cône ainsi qu'une production diurne dans les cellules ganglionnaires. Nos résultats ont démontré que la mélatonine peut agir par l'intermédiaire de son récepteur nommé MT1, localisés dans chacune des trois couches rétiniennes. Une seconde partie a mis en évidence que la mélatonine augmente la survie des photorécepteurs chez les rongeurs âgés en modulant l'activation de la voie de survie cellulaire via ses récepteurs MT1 et MT2. / Melatonin, a major hormonal "Zeitgeber" in the body, is produced in the pineal gland as well as the retina. In mammals its regulation and functions in this tissue are only partially understood. The aim of my project was to characterize the temporal and spatial expressions of melatonin as well as its potential roles in retinal physiopathology. In the first part, we identified the timing and sites of melatonin production. Notably, nocturnal synthesis occurs in the cones while diurnal production is seen in the ganglion cells. Our work also establishes that melatonin can act via its MT1-type receptors localized in the three retinal nuclear layers. The second axis demonstrated that melatonin increases photoreceptors viability via its receptors during the course of aging by modulating activation of an intracellular survival pathway.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de mieux comprendre l'effet de la température ainsi que celui de l'acide docosahexaénoïque (DHA) alimentaire dans les performances de vision chez les juvéniles de Dicentrarchus labrax. La rétine est contrainte aux changements de son milieu environnant, incluant les modifications du régime alimentaire et les stress environnementaux comme la température. Par ailleurs, le loup de Méditerranée est une espèce ectotherme, carnivore et pélagique. Son métabolisme, sa physiologie et son comportement dépendent de la température extérieure mais aussi de la composition alimentaire en acides gras et plus spécialement en DHA. Cette étude a rapporté l'impact de l'augmentation (28°C) et de l'abaissement (18°C) de la température du milieu mais aussi l'influence des différentes concentrations de DHA alimentaire sur la composition lipidique ainsi que l'abondance d'ARNm des enzymes clés du métabolisme lipidiques (FADS 2, ELOVL 5, SREBP-1, PLA 2 et la triglycéride lipase) et l'expression des gènes liés à la fonction visuelle (rhodopsine) et à la production de la mélatonine. / This thesis is in the context of more understanding the effect of temperature and different dietary levels of docosahexaenoic acid (DHA) in vision performance of juveniles Dicentrarchus labrax. The retina is constrained by environmental change, including changes in diet and environmental stresses such as temperature. In addition, sea bass is an ectothermic, carnivorous and pelagic species. Their metabolism, physiology and behavior rely on the external temperature but also on the dietary composition of fatty acids and especially DHA. This study reported that the impact of the increase (28°C) and decrease (18°C) of the temperature of the water but also the influence of different dietary DHA concentrations on the lipid composition, abundance of ARNm of key lipid metabolism enzymes (FADS 2, ELOVL 5, SREBP-1, PLA 2 and triglyceride lipase) and the expression of the genes related to the visual function (rhodopsin) and the production of melatonin.

Appartenant à la sous-famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) apparentés àla rhodopsine et identifiés comme des cibles à fort potentiel thérapeutique, les récepteurs MT, et MT2à la mélatonine, 5-HT2C à la sérotonine et CB2 aux cannabinoïdes ont été étudiés par des approches insilico afin de mettre en évidence les déterminants structuraux critiques pour l'affinité, la sélectivité etl'activité pharmacologique de leurs ligands. Bénéficiant de données cristallographiques récentes,plusieurs états conformationnels de ces quatre récepteurs ont été modélisés en fonction du profilpharmacologique recherché. L'étude comparative de ces différents états conformationnels par dessimulations de dynamique moléculaire a permis de caractériser le rôle prépondérant joué par la boucleextracellulaire E2 et l'hélice 6 dans les mécanismes d'activation de ces RCPGs. Sur la base deméthodes chémoinformatiques, le criblage virtuel de ligands ciblant ces modèles tridimensionnels apermis de caractériser un modèle du récepteur 5-HT2C très spécifique de ligands agonistes inverses etd'identifier des touches pharmacologiques sur les récepteurs MTi et CB2. / Identified as highly relevant therapeutical targets, the MT, and MT2 melatonin receptors, the5-HT2C serotonin and the CB2 cannabinoid receptors, which belong to the rhodopsin-like G proteincoupledreceptors (GPCRs) subfamily, have been studied by in silico approaches in order to identifycritical structural features for the binding, the selectivity and the pharmacological activity of theirligands. Gaining by sottie recent crystallographic data, various conformational states of these fourreceptors have been modeled according to the expected pharmacological profile. The comparativestudy of these various conformational states by molecular dynamics simulations has led to emphasizethe crucial rôle of the E2 extracellular loop and hélix 6 in the activation mechanisms of these GPCRs.On the basis of chemoinformatic methods, the virtual ligand screening targeting these threedimensionalmodels has promoted the characterization of a 5-HT2C receptor model able to bindspecifically inverse agonist ligands and the identification of pharmacological hits targeting the MTiand CB2 receptors.

Environ 2.6% de Canadiens souffrent du trouble affectif saisonnier (TAS), un syndrome caractérisé par des épisodes dépressifs cycliques à l’automne et l’hiver avec rémission naturelle au printemps ou à l’été. Même si l’origine de ce trouble demeure inconnue, le consensus général est que les gens atteints de TAS seraient plus vulnérables à la baisse de l’exposition lumineuse à l’automne/hiver ce qui pourrait entraîner un dérèglement de certains neurotransmetteurs (possiblement la sérotonine et/ou la dopamine). Or, ceux-ci sont impliqués dans la modulation de la sensibilité des photorécepteurs rétiniens. L’électrorétinogramme (ERG) permet de mesurer objectivement et de façon non invasive ces dérèglements neurochimiques rétiniens. Puisque la luminothérapie est le traitement de choix pour traiter les patients atteints de TAS et que son effet transige par la rétine et non la peau, il est possible d’évaluer le mécanisme biologique de ce traitement par l’ERG. Les objectifs généraux de cette thèse visent l’approfondissement des connaissances sur l’électrorétinogramme (ERG) au niveau circadien et méthodologique, l’évaluation de l’existence d’un patron saisonnier de la sensibilité rétinienne chez des patients atteints de TAS ainsi que des changements associés à l’utilisation de la luminothérapie. Le premier article évalue l’impact sur les enregistrement ERG photopique et scotopique de ne pas dilater les pupilles pharmacologiquement. Il est mentionné qu’il pourrait être possible, en recherche, d’effectuer un test ERG sans dilater les yeux si les intensités lumineuses augmentent et si le fond lumineux est adapté. Nous concluons également qu’en clinique, les intensités lumineuses standard ne permettent pas d’atteindre le plein potentiel rétinien. La seconde étude montre une corrélation entre la variation circadienne, telle que mesurée par l’ERG (matin et soiéer) et la concentration de mélatonine salivaire. Ces résultats précisent l’impact de la mélatonine sur la vision diurne et nocturne, amenant des répercussions sur les protocoles d’ERG en recherche. Finalement, la troisième étude montre l’existence d’un patron saisonnier de la sensibilité rétinienne chez gens atteints de TAS et des changements à l’ERG associés à l’effet thérapeutique de la luminothérapie. Cette étude est la première à évaluer avec l’ERG la sensibilité rétinienne (cônes et bâtonnets) chez des patients atteints de TAS en plus de démontrer un effet biologique de la luminothérapie sur les fonctions rétiniennes. Un nouveau modèle neurochimique est proposé suite à ces découvertes. / About 2.6% of Canadians suffer from Seasonal Affective Disorder (SAD), a syndrome characterized by cyclic depressive episodes occurring during fall and winter with remission in spring and summer. Although the etiology of SAD is unknown, the general consensus is that SAD patients could be more vulnerable to the decrease in light exposure in the fall/winter which could trigger some neurotransmitter dysregulation (possibly serotonin and/or dopamine). In the retina, these neurotransmitters are implicated in the modulation of photoreceptor sensibility. The electroretinogram (ERG) allows a direct and objective measure of these retinal dysregulations. Since light therapy (LT) is the treatment of choice for SAD and the therapeutic effect of LT appears to be mediated through the eyes and not the skin, it is possible to investigate the biological mechanism of LT using the ERG. The aim of this thesis is to better understand the circadian and methodology of electroretinogram (ERG) and evaluate the existence of a seasonal pattern in retinal sensitivity in SAD patients as well as the impact of LT. The first paper assesses the impact of photopic and scotopic ERG recording in a non pharmacologically dilated eyes. We report that it may be possible in research practice to perform ERG without dilating the eyes if the intensity of the flash is increased along with the adapting background. We also concluded that in clinical practice, the current standard flash is not adequate to yield to an optimal retinal stimulation. The second paper shows a correlation between diurnal variations (morning Vs evening) in retinal function and the presence of melatonin secretion in the saliva. These results bring precision of the impact of day versus night vision on the ERG response which could have some impact in research practice. Finally, the third paper demonstrates a seasonal pattern in retinal sensitivity in SAD patients and ERG changes associated with the therapeutic effect of LT. This study is the first to investigate cone and rod functions in SAD patients with the ERG as well as to report a biological effect of LT on retinal function in SAD patients. A the end, a new neurochemical model is proposed.

Le trouble affectif saisonnier (TAS) est une pathologie fréquemment retrouvée dans les latitudes nordiques et se caractérise par une baisse de l'humeur à l'automne et à l'hiver avec rémission au printemps et à l'été. Bien qu'environ 2,6 % de la population canadienne serait touchée par le TAS, l'origine de ce syndrome demeure inconnue. Il existe toutefois un lien clair entre la diminution de la photopériode à l'automne et à l'hiver et l'apparition des symptômes. L'augmentation de la photopériode au printemps conespond également à la disparition de ces mêmes symptômes. En raison de ce lien étroit avec la lumière, il n'est pas surprenant qu'un éventuel défaut au niveau de la rétine ait été suspecté puisqu'elle représente la première interface à entrer en jeu dans la transmission de l'information lumineuse au cerveau. Les objectifs généraux de cette thèse sont principalement d'étudier si des altérations des mécanismes rétiniens sont présentes chez les TAS, mais aussi de vérifier l'impact de certains contextes lumineux et de la mélatonine sur la rétine normale. Toutes les expérimentations ont été effectuées avec la technique d'électrorétinogramme (ERG).

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

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.