La progéria est une maladie génétique rare caractérisée par un vieillissement global, prématuré et accéléré entrainant le décès des enfants atteints aux alentours de l’âge de 13 ans. La compréhension des mécanismes moléculaires à l’origine de ce syndrome ont récemment permis de démarrer deux protocoles d’essai clinique, avec un objectif commun : ralentir la progression de la maladie en bloquant la maturation de la protéine mutée. Cependant, l’identification de nouvelles voies thérapeutiques reste encore, pour cette pathologie, un défi à relever. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à utiliser le potentiel unique des cellules souches induites à la pluripotence (iPSCs) pour explorer les mécanismes cellulaires et moléculaires de ce syndrome, identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et proposer des pistes innovantes de traitement.La première étape de cette thèse s’est consacrée à la dérivation et la caractérisation des lignées d’iPSCs à partir de cellules de patients atteints par ce syndrome. De manière surprenante,cette étude a mis en évidence une préservation des neurones générés à partir d’iPSCs de patients progeria. L’étude des mécanismes moléculaires à l’origine de cette protection neuronale a par la suite permis d’identifier l’implication d’un microARN, miR-9, capable de réguler l’expression de la progérine et de protéger les neurones de ce vieillissement accéléré. La seconde partie de ces travaux de thèse s’est attachée à explorer le potentiel de ces cellules pour étudier l’efficacité des composés proposés aux patients dans le cadre des différents essais cliniques réalisés ces dernières années. Bien que l’ensemble des molécules testées améliore de façon significative les défauts de structuration de l’enveloppe nucléaire, nos travaux soulignent un certain nombre de différences fonctionnelles tant au niveau de leurs effets sur la prolifération cellulaire que sur la différentiation ostéogénique ou encore le métabolisme énergétique. Enfin, sur la base de ce travail de modélisation pathologique, la dernière partie de ce projet de thèse a eu pour objectif de développer et réaliser un criblage à haut contenu de plus de vingt mille petites molécules pouvant réguler le processus de maturation de la prélamine A. Au cours de cette étude, onze composés à fort potentiel thérapeutique ont été identifiés, dont trois appartenant à la même famille chimique, les mono-aminopyrimidines, ouvrant de nouvelles perspectives thérapeutiques dans la progéria. / Progeria is a rare genetic disease characterized by a global, premature and accelerated aging, leading to patient death at average 13 years old. The understanding of the molecular mechanism of this syndrome has recently opened the possibility to start two clinical trials, with one common objective: slow down the disease progression blocking the maturation of the mutated protein. However, the identification of new therapeutic pathway is still a challenge to rise for this pathology. The objective of this PhD thesis has consisted to use the unique potential of induced pluripotent stem cells (iPSCs) to explore cellular and molecular mechanisms of this syndrome, identify new therapautical target and propose innovative trails of treatment. The first step of this thesis was focused on the derivation and the characterization of the iPSCs lines from patient's cells affected by this syndrome. In a surprising manner, this study has highlighted a preservation of neurons generated from progeria patients. The study of the molecular mechanisms led to the identification of the microRNA miR-9 involvement. This latter regulates progerin expression, protecting neurons from accelerated aging. The second part of this work has endeavored to explore the potential of progeria iPSCs to study the efficiency of chemical compounds proposed to patients in the different clinical trials realized these last years. Although the set of tested molecules significantly improved nuclear architecture, differences in proliferation or in osteogenic differentiation or in metabolic energetic have been detected. Finally, on the basis of this pathological modeling work, the last part of this thesis praject was to develop and realize a high content screening of more than twenty thousand small molecules to select drugs which block the maturation process of prelamin A. Eleven molecules with a high therapeutical potential have been identified, with three belonging to the same chemical family, the mono-aminopyrimidins, opening new therapeutical perspectives in progeria.

Inorganic phosphate (Pi) is an essential component for structure and metabolism. PiT1 (SLC20A1) and PiT2 (SLC20A2) are members of the mammalian type-III inorganic phosphate transporters. SLC20A2 missense variants are associated with primary brain calcification. MicroRNAs (miRNAs) are endogenous noncoding regulatory RNAs, which play important roles in post-transcriptional gene regulation. MicroRNA-9 (miR-9) acts at different stages of neurogenesis, is deeply rooted in gene networks controlling the regulation of neural progenitor proliferation, and is also linked with cancers outside the nervous system. We evaluated possible interactions between miR-9 and the phosphate transporters (PiT1 and PiT2). SLC20A2, platelet-derived growth factor receptor beta (PDGFRB) and Fibrillin-2 (FBN2) showed binding sites with high affinity for mir-9, in silico. miR-9 mimic was transfected into HEK293 cells and expression confirmed by RT-qPCR. Overexpression of miR-9 in these cells caused a significant reduction in PiT2 and FBN2. PDGFRB appeared to be decreased, but was not significantly down-regulated in our hands. PiT1 showed no significant difference relative to controls. The down-regulation of PiT2 protein by miR-9 was confirmed by western blotting. In conclusion, we showed miR-9 can down-regulate PiT2, in HEK293 cells.

MicroRNA-9 (miR-9) modulates gene expression and demonstrates high structural conservation and wide expression in the central nervous system. Bioinformatics analysis predicts almost 100 ion channels, membrane transporters and receptors, including genes linked to primary familial brain calcification (PFBC), as possible miR-9-5p targets. PFBC is a neurodegenerative disorder, characterized by bilateral and symmetrical calcifications in the brain, associated with motor and behavioral disturbances. In this work, we seek to study the influence of miR-9-5p in regulating genes involved in PFBC, in an osteogenic differentiation model with SaOs-2 cells. During the induced calcification process, solute carrier family 20 member 2 (SLC20A2) and platelet-derived growth factor receptor beta (PDGFRB) were downregulated, while platelet-derived growth factor beta (PDGFB) showed no significant changes. Significantly decreased levels of SLC20A2 and PDGFRB were caused by the presence of miR-9-5p, while PDGFB showed no regulation. We confirmed the findings using an miR-9-5p inhibitor and also probed the cells in electrophysiological analysis to assess whether such microRNA might affect a broader range of ion channels, membrane transporters and receptors. Our electrophysiological data show that an increase of the miR-9-5p in SaOs-2 cells decreased the density and amplitude of the output ionic currents, indicating that it may influence the activity, and perhaps the expression, of some ionic channels. Additional investigations should determine whether such an effect is specific to miR-9-5p, and whether it could be used, together with the miR-9-5p inhibitor, as a therapeutic or diagnostic tool.

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L’arthrose est la pathologie articulaire la plus répandue et, avec l’allongement de l’espérance de vie, sa prévalence ne cesse d’augmenter. Elle se caractérise par une dégénérescence du cartilage articulaire associée à une inflammation synoviale et un remodelage anormal de l’os sous-chondral, qui résultent en une perte progressive de mobilité et des douleurs très handicapantes. Dans le cartilage, le chondrocyte est le seul type cellulaire et il est responsable de la synthèse des composants de la matrice extracellulaire (collagènes, protéoglycanes). Au cours de l’arthrose, le phénotype du chondrocyte est altéré et la balance synthèse/dégradation des composants matriciels est déséquilibrée en faveur de la dégradation du cartilage. Il n’existe actuellement aucun traitement permettant de ralentir efficacement l’évolution du processus arthrosique, de sorte que la recherche de biomarqueurs pertinents et de cibles thérapeutiques potentielles est en pleine effervescence depuis l’explosion de l’étude des microARNs. Les microARNs sont des petits ARNs non codants régulant négativement l’expression des gènes. On estime que 50% des gènes sont potentiellement régulés par les miARNs. Les miARNs semblent impliqués dans tous les processus biologiques majeurs tels que la différenciation cellulaire, l’apoptose ou encore la cancérisation. Ces petits ARN non codants sont donc des biomarqueurs potentiels très intéressants. Au cours de ces travaux de thèse l’implication des miARN dans la régulation du phénotype chondrocytaire a été étudiée. A partir d’un modèle de perte du phénotype chondrocytaire différencié, provoquée par des repiquages successifs ou une stimulation par l’IL-1β les variations du profil d’expression des miARNs ont été analysées par l’utilisation de puces dédiées. Ces données ont permis de mettre en évidence 43 miARNs candidats dont le cluster miR-23~27b~24-1 et miR-29b. L’étude de la régulation de la production différentielle des miARNs de ce cluster a été entreprise, sans que nous parvenions toutefois à apporter une réponse formelle sur les mécanismes impliqués. Néanmoins, nous avons identifié miR-29b comme un régulateur négatif de l’expression du gène codant Col-IIa1 au cours de la perte du phénotype différencié, ainsi que chez les chondrocytes « arthrosiques ». Enfin, comme il a été montré au laboratoire que l’équilibre entre les concentrations extracellulaires de pyrophosphate/phosphate inorganique (ePi/ePPi) était essentiel au maintien du phénotype chondrocytaire différencié, nous nous sommes intéressés à la régulation des gènes codant les acteurs protéiques impliqués dans cette balance (ANK, PC1, Pit-1 et TNAP). A partir de prédictions de cibles par analyse in silico, un panel de 4 miARNs candidats a été établi : let7e, miR-9, miR-188 et miR-219. Nos travaux avec des systèmes rapporteurs ont démontré l’implication de miR-9 en tant que régulateur négatif de l’expression des gènes PC-1, Pit-1 et TNAP, de façon cohérente ou non avec les prédictions bio-informatiques. / Osteoarthritis (OA) is the most frequent joint disease and its prevalence still grows with the increase in lifespan. OA is characterized by articular cartilage degeneration, together with synovitis and abnormal subchondral bone remodeling, leading to progressive loss of mobility and pain. Chondrocyte is the unique cell type in cartilage which accounts for the synthesis of extracellular matrix (ECM) components (collagens, proteoglycans). During OA, chondrocyte phenotype is altered and the balance between ECM synthesis and degradation is impaired towards cartilage degradation. To date no treatment can efficiently reduce OA progression so that the search for reliable biomarkers and potential therapeutic targets is very active, particularly since the discovery of microRNAs. miRNAs are estimated to regulate 50% of cellular genes. They contribute to major cellular processes such as cell differentiation, apoptosis or tumorigenesis. Therefore, miRNAs are interesting putative biomarkers. During this PhD thesis, we studied the contribution of miARNs to the control of chondrocyte phenotype. Using a model of chondrocyte differentiated phenotype loss induced by extensive subculturing or IL-1β challenge we studied changes in miRNAs profile with microarrays. We determined a panel of 43 varying miRNA including the miR-23~27b~24-1 cluster and miR-29b. The differential production of miRNAs from this cluster has been investigated, but we didn’t succeed in identifying the underlying mechanisms. However, we identified miR-29b as a negative post-transcriptional regulator of Col-IIa1 during differentiated phenotype loss and OA. Finally, as equilibrium between extracellular levels of inorganic phosphate and pyrophosphate (ePi/ePPi) was previously shown in the laboratory to be crucial for the maintenance of a differentiated chondrocyte phenotype, we studied the regulation of the genes encoding the 4 proteins regulating this balance (ANK, PC1, Pit-1 and TNAP). From in silico analysis, we selected a panel of 4 miRNAs: let7e, miR-9, miR-188 and miR-219. Using reporter assays, we showed that miR-9 was a negative regulator of PC-1, Pit-1 and TNAP, according or not to bioinformatics prediction