Résumé : La mort cellulaire neuronale est un phénomène qui se produit pendant le développement du cerveau, mais aussi dans les conditions pathologiques. Selon l’environnement où la cellule se retrouve; l’apoptose ou la nécrose peuvent contribuer à cette mort neuronale. La nécrose produit un environnement qui promeut l’inflammation ainsi que la cytotoxicité. L’apoptose est un processus hautement organisé qui permet l’homéostasie tissulaire. Un récepteur NOD récemment découvert, Nlrx1, jouerait un rôle dans la régulation de l’inflammation et de la mort cellulaire pendant les infections. Par conséquent, notre hypothèse suppose que Nlrx1 joue un rôle neuroprotecteur en contrôlant la mort neuronale. Afin de déterminer le mécanisme protecteur de Nlrx1 in vitro, un Knock-Down, un Knock-In et un témoin Scrambled de Nlrx1 dans les cellules N2a ont été générés. Des essais LDH de mort cellulaire avec la staurosporine ou le stress oxydatif comme la roténone, le MPP+ ou le H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] ont été exécutés. Suite au traitement de 24 heures à la staurosporine, les cellules N2a Knock-In subissent plus de mort cellulaire que les cellules N2a Knock-Down et les cellules Scrambled. Quand ces cellules sont traitées à la roténone ou au H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2], les cellules Knock-In subissent moins de mort cellulaire que les cellules Scrambled. Les cellules N2a Knock-Down ont plus de mort cellulaire que les cellules Scrambled quand elles sont traitées à la roténone ou au MPP+. Les analyses par immunobuvardage de type Western des protéines HSP90 et HMGB1 ainsi que par cytométrie en flux ont montré que les cellules Knock-In ont moins de cellules nécrotiques lorsque traitées à la roténone comparé aux cellules contrôles Scrambled. Le ratio des cellules nécrotiques/cellules apoptotiques était aussi plus élevé dans les cellules Knock-Down comparé aux cellules Scrambled. Par microscopie électronique, il a été possible d’observer que les cellules N2a Knock-In contiennent plus de mitochondries que les cellules Knock-Down et Scrambled en conditions témoins. Ces résultats ont aussi été confirmés par marquage au mitotracker en cytométrie de flux L’immunobuvardage de type Western a montré que dans les cellules Knock-In, il y avait une augmentation de la protéine phosphorylée-DRP1 active, une protéine impliquée dans la fission mitochondriale. Ces résultats pourraient expliquer le nombre augmenté de mitochondries observé dans les cellules Knock-In. Des expériences d’immunoprécipitation ont montré une association entre Nlrx1 et DRP1, ainsi qu’avec la forme active phosphorylée de DRP1. En ajoutant le Mdivi, un inhibiteur de la fission mitochondriale, aux traitements de roténone ou H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2], la mort cellulaire était augmentée dans les cellules Knock-In comparé aux cellules Scrambled. Également, la nécrose était augmentée dans les cellules Knock-In à des niveaux semblables à ceux retrouvés chez les cellules Scrambled et Knock-Down. Ces résultats suggèrent que Nlrx1 serait impliquée dans la régulation de l’équilibre entre la nécrose et l’apoptose, en favorisant la survie cellulaire. Nlrx1 pourrait alors servir de molécule neuroprotectrice dans les maladies médiées par le stress oxydatif. / Abstract : Neuronal cell death is a phenomenon that occurs during brain development as well as in pathological diseases. Depending on the environment in which the cells are; a poptosis or necrosis can contribute to neuronal cell death. Necrosis produces an environment that promotes inflammation and cytotoxicity and apoptosis is a highly organized process that maintains tissue homeostasis. A recently discovered NOD receptor, Nlrx1, is thought to play a role in regulation of inflammation and cell death during infection. Therefore, we hypothesize that Nlrx1 plays a neuroprotective role by controlling cell death in neurons. To determine the protective mechanism of Nlrx1 in vitro, a Knock-Down, a Knock-In and a Scrambled control of Nlrx1 in N2a cells was generated. LDH assays for cell death detection with staurosporine or oxidative stress, such as rotenone, MPP+ or H[subscript 2]O[subscript 2], have been done. After 24h treatment of staurosporine, N2a Knock-In cells showed higher cell death than N2a Knock-Down and Scrambled. When cells were treated with rotenone or H[subscript 2]O[subscript 2], N2a Knock-In cells had less cell death than Scrambled cells. N2a Knock-Down cells resulted in more cell death than Scrambled cells when treated with rotenone or MPP+.Western Blotting of HSP90 and HMGB1 as well as flow cytometry of cell death demonstrated N2a Knock-In cells to have less necrotic cells when treated with rotenone compared to Scrambled. The ratio of necrotic cells on apoptotic cells was also higher in N2a Knock-Down cells compared to Scrambled cells. Electron microscopy of control cells showed that Knock-In cells contains more mitochondria than Knock-Down and Scrambled cells. These results were confirmed by mitotracker staining by flow cytometry. Western blotting showed that there was an increased in Knock-In cells of active phosphorylated-DRP1 protein, a protein implicated in mitochondrial fission. Thus, it could explain the increased number of mitochondria seen in Knock-In cells. Immunoprecipitation showed that Nlrx1 protein interacts with DRP1 as well as active phosphorylated-DRP1. Adding Mdivi, a mitochondrial fission inhibitor, to rotenone or H[subscript 2]O[subscript 2] treatments, cell death was increased in Knock-In cells compared to Scrambled. Also, necrosis was also augmented in Knock-In cells to levels comparable to Scramble and Knoc k-Down cells. These results suggest an implication for Nlrx1 in regulating the balance of necrosis to apoptosis, permitting cells to survive. Nlrx1 could serve as a neuroprotective molecule in diseases mediated by oxidative stress.

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

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire (SN) en lien avec l’agrégation de l’α-synucléine (α-Syn) sous la forme d’inclusions intraneuronales. De nombreux travaux supportent l’idée que des interactions neuro-immunes, favorisées par des altérations du système vasculaire cérébral, sont impliquées dans les mécanismes pathologiques de la MP. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à une population myéloïde particulière qui borde les vaisseaux: les macrophages périvasculaires (MPVs). Nous mettons en évidence chez des patients parkinsoniens et des souris développant une synucléinopathie dégénérative, une augmentation proliférative des MPVs. Leur ablation entraîne une aggravation du phénotype dégénératif chez les souris synucléinopathiques, suggérant un rôle protecteur qui ne serait toutefois pas lié à une régulation de la microgliose. Nous observons néanmoins que l’absence de MPVs s’associe à une augmentation vasculaire de VCAM-1 et de l’infiltrat T CD4+ et CD8+. Par ailleurs, leur absence entraîne une accélération de la diffusion de la synucléinopathie suite à l’injection de fibrilles d’α-Syn. Nous faisons l’hypothèse que les MPVs sont essentiels dans la clairance des assemblages extracellulaires d’α-Syn en raison de leur activité de phagocytose mais aussi de leur importance dans la régulation des flux paravasculaires et lymphatiques, comme le montrent nos expériences d’infusion de traceurs fluorescents. Au total, nos travaux soulignent l’importance des MPVs dans la régulation de la toxicité et la diffusion de la synucléinopathie et en font une cible thérapeutique potentielle pour la MP. / Parkinson’s disease (PD) is characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN) associated to the aggregation of α-synuclein (α-Syn) that forms intraneuronal inclusions. In addition, mounting evidence suggest that neuro-immune interactions, favoured by cerebrovascular alterations, are involved in the pathomechanisms of PD. In this work, we focus on a myeloid population that surrounds blood vessels: perivascular macrophages (PVMs). We show that both in PD patients and in a mouse model of degenerative synucleinopathy, there is an increased proliferative recruitment of PVMs within the SN. We also found that specific ablation of PVMs aggravates the degenerative phenotype in synucleinopathic mice. PVMs-mediated neuroprotection is not likely linked to regulatory mechanisms of microglial cell response. Interestingly, the absence of PVMs is associated with higher vascular expression of VCAM-1 and enhanced infiltration of CD4+ and CD8+ T-cells, whose pathogenic role remains to be determined. We also observe that PVMs deficiency leads to an increased spreading of α-Syn pathology following striatal injections of α-Syn fibrils. We hypothesize that PVMs might be essential for the clearance of toxic α-Syn species due to their phagocytic activity, but also to their importance in regulating interstitial and cerebrospinal fluid (CSF) circulation, as shown by analysing CSF movement via the infusion of fluorescent tracers in PVMs-deficient conditions. Overall, our data highlight the importance of PVMs in regulating the toxicity and propagation of synucleinopathy and provide a rationale for therapeutic strategies aimed at boosting PVMs functions in PD.

La conversion conformationnelle de la protéine prion cellulaire PrPC neuroprotectrice en protéine prion PrPSc infectieuse et pathogène caractérise les maladies à prions. Dans le cerveau infecté par les prions, la perte de PrPC, le gain de PrPSc neurotoxique et l’inflammation concourent à la mort neuronale par des mécanismes encore mal connus.Ces travaux valident les cultures organotypiques de cervelet de souris comme système expérimental ex vivo favorable à l’étude de ces mécanismes et montrent que l’absence de PrPC aussi bien que PrPSc activent des mécanismes apoptotiques et autophagiques qui conduisent à la mort des cellules de Purkinje du cervelet. Une deuxième étude in situ chez la souris montre que la compartimentation anatomo-fonctionnelle du cervelet est un paramètre endogène de la pathogenèse des prions de tremblante 22L. Une troisième série d’expériences in situ montre que les prions provoquent l’augmentation du récepteur TNFR1 de la cytokine pro-inflammatoire TNF-α à la membrane des astrocytes enveloppant les synapses excitatrices des cellules de Purkinje dans le cortex cérébelleux de souris infectées. Ceci implique une composante astrocytaire dans la réaction des complexes synaptiques aux prions. / The conversion of the protective cellular prion protein PrPC into an infectious, neurotoxic conformer PrPSc is a feature of prion diseases. In the prion-diseased brain, the loss of PrPC, the production of pathogenic PrPSc and inflammation contribute to neuronal death by still unknown mechanisms.The present results validate cerebellar organotypic cultures as a valuable experimental system to study ex vivo these mechanisms and provide insight into the apoptotic and autophagic processes activated by the absence of PrPC in Prnp-deficient mice and by PrPSc prions and lead to the death of the cerebellar Purkinje cells. A second line of research in situ showed that the anatomo-functional compartmentation of the mouse cerebellum is an endogenous parameter of the pathogenesis of the 22L scrapie prions. Finally, another in situ approach revealed that prions increase the levels of TNFR1, a receptor for the pro-inflammatory cytokine TNF-α at the membrane of the astrocytes enveloping Purkinje cell excitatory synapses in the cerebellar cortex of infected mice. This implies that the response of synaptic complexes to prions involves a glial component.

Le glaucome est la première cause de cécité irréversible à travers le monde. À présent il n’existe aucun remède au glaucome, et les thérapies adoptées sont souvent inadéquates. La perte de vision causée par le glaucome est due à la mort sélective des cellules rétiniennes ganglionnaires, les neurones qui envoient de l’information visuelle de la rétine au cerveau. Le mécanisme principal menant au dommage des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome n’est pas bien compris, mais quelques responsables putatifs ont été proposés tels que l’excitotoxicité, le manque de neurotrophines, la compression mécanique, l’ischémie, les astrocytes réactifs et le stress oxidatif, parmis d’autres. Indépendamment de la cause, il est bien établi que la perte des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome est causée par la mort cellulaire programmée apoptotique. Cependant, les mécanismes moléculaires précis qui déclenchent l’apoptose dans les cellules rétiniennes ganglionnaires adultes sont mal définis. Pour aborder ce point, j’ai avancé l’hypothèse centrale que l’identification de voies de signalisations moléculaires impliquées dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires offrirait des avenues thérapeutiques pour ralentir ou même prévenir la mort de celles-ci lors de neuropathies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle de la famille de protéines stimulatrices d’apoptose de p53 (ASPP), protéines régulatrices de la famille p53, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. p53 est un facteur de transcription nucléaire impliqué dans des fonctions cellulaires variant de la transcription à l’apoptose. Les membres de la famille ASPP, soit ASPP1, ASPP2 et iASPP, sont des protéines de liaison de p53 qui régulent l’apoptose. Pourtant, le rôle de la famille des ASPP dans la mort des cellules rétiniennes ganglionnaires est inconnu. ASPP1 et ASPP2 étant pro-apoptotiques, l’hypothèse de cette première étude est que la baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après une blessure du nerf optique. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé de mort apoptotique neuronale induite par axotomie du nerf optique chez le rat de type Sprague Dawley. Les résultats de cette étude (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) ont démontré que p53 est impliqué dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et qu’une baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 par acide ribonucléique d’interference promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle d’iASPP, le membre anti-apoptotique de la famille des ASPP, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. L’hypothèse de cette seconde étude est que la surexpression d’iASPP promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après axotomie. Mes résultats (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) démontrent que le knockdown ciblé de iASPP exacerbe la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et que la surexpression de iASPP par virus adéno-associé promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes régulateurs sous-jacents la perte de cellules rétiniennes ganglionnaires par apoptose et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices pour le traitement de maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. At present, there is no cure for glaucoma, and current therapies are often inadequate. Loss of vision in glaucoma results from the death of retinal ganglion cells, the neurons that send visual information from the retina to the brain. The principal mechanism leading to retinal ganglion cell damage during glaucoma is not well understood, however, putative culprits have been proposed including excitotoxicity, neurotrophin deprivation, mechanical compression, ischemia, reactive astrocytes and oxidative stress. It is well established that retinal ganglion cell loss during glaucoma is caused by apoptotic programmed cell death, however, the precise mechanisms that lead to apoptotic death of adult retinal ganglion cells are poorly defined. To address this point, I put forth the central hypothesis that the identification of signaling pathways involved in apoptotic retinal ganglion cell death would offer therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I characterised the role of Apoptosis Stimulating Protein of p53 family (ASPP) proteins, which are regulators of p53, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. p53 is a nuclear transcription factor implicated in cellular functions ranging from transcription to apoptosis. ASPP family members ASPP1, ASPP2 and iASPP are p53 binding proteins that belong to a family of protein regulators of p53-dependent apoptotic death. However, the role of ASPP family members in retinal ganglion cell death is unknown. As ASPP1 and ASPP2 are pro-apoptotic, the hypothesis of our first study was that the knockdown of ASPP1 and ASPP2 gene expression would lead to retinal ganglion cell survival after an optic nerve lesion. We used a well-characterized experimental model of neuronal apoptosis induced by optic nerve axotomy in Sprague Dawley rats. The results of this study (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) demonstrated that p53 is implicated in retinal ganglion cell death, and that targeted knockdown of ASPP1 and ASPP2 by short interference ribonucleic acid promotes retinal ganglion cell survival. The knockdown of ASPP2 correlates with a reduction in the levels of pro-apoptotic p53 regulated targets PUMA and Fas/CD95. In the second part of my thesis, I characterized the role of the anti-apoptotic member of the ASPP family, iASPP, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. The hypothesis of this second study is that the overexpression of iASPP would promote retinal ganglion cell survival after axotomy. The data (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) demonstrate that the targeted knockdown of iASPP by short interference ribonucleic acid exacerbates retinal ganglion cell death, and that the overexpression of iASPP by adeno-associated virus promotes retinal ganglion cell survival. The overexpression of iASPP correlates with a reduction in protein levels of PUMA and Fas/CD95. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying retinal ganglion cell loss by apoptosis and might provide insights into the design of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

Le glaucome est la première cause de cécité irréversible à travers le monde. À présent il n’existe aucun remède au glaucome, et les thérapies adoptées sont souvent inadéquates. La perte de vision causée par le glaucome est due à la mort sélective des cellules rétiniennes ganglionnaires, les neurones qui envoient de l’information visuelle de la rétine au cerveau. Le mécanisme principal menant au dommage des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome n’est pas bien compris, mais quelques responsables putatifs ont été proposés tels que l’excitotoxicité, le manque de neurotrophines, la compression mécanique, l’ischémie, les astrocytes réactifs et le stress oxidatif, parmis d’autres. Indépendamment de la cause, il est bien établi que la perte des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome est causée par la mort cellulaire programmée apoptotique. Cependant, les mécanismes moléculaires précis qui déclenchent l’apoptose dans les cellules rétiniennes ganglionnaires adultes sont mal définis. Pour aborder ce point, j’ai avancé l’hypothèse centrale que l’identification de voies de signalisations moléculaires impliquées dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires offrirait des avenues thérapeutiques pour ralentir ou même prévenir la mort de celles-ci lors de neuropathies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle de la famille de protéines stimulatrices d’apoptose de p53 (ASPP), protéines régulatrices de la famille p53, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. p53 est un facteur de transcription nucléaire impliqué dans des fonctions cellulaires variant de la transcription à l’apoptose. Les membres de la famille ASPP, soit ASPP1, ASPP2 et iASPP, sont des protéines de liaison de p53 qui régulent l’apoptose. Pourtant, le rôle de la famille des ASPP dans la mort des cellules rétiniennes ganglionnaires est inconnu. ASPP1 et ASPP2 étant pro-apoptotiques, l’hypothèse de cette première étude est que la baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après une blessure du nerf optique. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé de mort apoptotique neuronale induite par axotomie du nerf optique chez le rat de type Sprague Dawley. Les résultats de cette étude (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) ont démontré que p53 est impliqué dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et qu’une baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 par acide ribonucléique d’interference promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle d’iASPP, le membre anti-apoptotique de la famille des ASPP, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. L’hypothèse de cette seconde étude est que la surexpression d’iASPP promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après axotomie. Mes résultats (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) démontrent que le knockdown ciblé de iASPP exacerbe la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et que la surexpression de iASPP par virus adéno-associé promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes régulateurs sous-jacents la perte de cellules rétiniennes ganglionnaires par apoptose et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices pour le traitement de maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. At present, there is no cure for glaucoma, and current therapies are often inadequate. Loss of vision in glaucoma results from the death of retinal ganglion cells, the neurons that send visual information from the retina to the brain. The principal mechanism leading to retinal ganglion cell damage during glaucoma is not well understood, however, putative culprits have been proposed including excitotoxicity, neurotrophin deprivation, mechanical compression, ischemia, reactive astrocytes and oxidative stress. It is well established that retinal ganglion cell loss during glaucoma is caused by apoptotic programmed cell death, however, the precise mechanisms that lead to apoptotic death of adult retinal ganglion cells are poorly defined. To address this point, I put forth the central hypothesis that the identification of signaling pathways involved in apoptotic retinal ganglion cell death would offer therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I characterised the role of Apoptosis Stimulating Protein of p53 family (ASPP) proteins, which are regulators of p53, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. p53 is a nuclear transcription factor implicated in cellular functions ranging from transcription to apoptosis. ASPP family members ASPP1, ASPP2 and iASPP are p53 binding proteins that belong to a family of protein regulators of p53-dependent apoptotic death. However, the role of ASPP family members in retinal ganglion cell death is unknown. As ASPP1 and ASPP2 are pro-apoptotic, the hypothesis of our first study was that the knockdown of ASPP1 and ASPP2 gene expression would lead to retinal ganglion cell survival after an optic nerve lesion. We used a well-characterized experimental model of neuronal apoptosis induced by optic nerve axotomy in Sprague Dawley rats. The results of this study (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) demonstrated that p53 is implicated in retinal ganglion cell death, and that targeted knockdown of ASPP1 and ASPP2 by short interference ribonucleic acid promotes retinal ganglion cell survival. The knockdown of ASPP2 correlates with a reduction in the levels of pro-apoptotic p53 regulated targets PUMA and Fas/CD95. In the second part of my thesis, I characterized the role of the anti-apoptotic member of the ASPP family, iASPP, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. The hypothesis of this second study is that the overexpression of iASPP would promote retinal ganglion cell survival after axotomy. The data (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) demonstrate that the targeted knockdown of iASPP by short interference ribonucleic acid exacerbates retinal ganglion cell death, and that the overexpression of iASPP by adeno-associated virus promotes retinal ganglion cell survival. The overexpression of iASPP correlates with a reduction in protein levels of PUMA and Fas/CD95. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying retinal ganglion cell loss by apoptosis and might provide insights into the design of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

Le facteur de transcription p73 est impliqué dans des pathologies du système neuronal (maladie d’Alzheimer, neuroblastome…) en régulant le cycle cellulaire, l’apoptose et la différenciation neuronale.Identifier les modifications post-traductionnelles de p73 permettrait de mieux comprendre les fonctions biologiques des isoformes p73 et leurs régulations. Notre analyse bio-informatique prédit entre autres, trois sites sur p73 potentiellement phosphorylés par la calcium-calmoduline dépendante kinase 2 (CamKII), qui est aussi impliquée dans le cycle cellulaire, l’apoptose et la différenciation neuronale. Après avoir confirmé la phosphorylation de p73 par cette kinase in vitro, nous avons démontré que la CamKII favorise l’activité transcriptionelle de p73 et modifie le niveau de protéique des isoformes de p73. L’étude de la caractérisation des sites impliqués dans cette régulation suggère que les effets de la CamKII sur p73 résultent davantage de la coopération de l’ensemble des sites que d’un seul site précis. Par ailleurs, cette étude moléculaire s’inscrit dans un contexte physiologique précis où l’apoptose neuronale induit par le déséquilibre de l’homéostasie calcique s’expliquerait en partie par la signalisation p73-CamKII. / The transcription factor p73 is implicated in neurodegenerativ diseases (Alzheimer disease, neuroblastoma…) by regulating cell cycle, neuronal apoptosis and differenciation.Identifying the post-translationnal modifications on p73 would allow to better understand the p73 biological functions and regulations. Bioinformatic analyses predict amongst others, three potential phosphorylation sites on p73 for the calcium-calmodulin dependant kinase 2 (CamKII), which is also implicated in cell cycle, neuronal apoptosis and differenciation. After showing the p73 phosphorylation by CamKII in vitro, we demonstrated that CamKII favors the p73 transcriptional activity and modulates the proteic expression of the p73 isoforms. The study to identify the sites implicated in these CamKII effects highlights cooperation between the sites instead of the prevalence of a specific site.. Besides this molecular approach, we also investigate the implication of this regulation in a physiologic context. Our results reveal that the neuronal death triggered by a calcic homeostasis alteration could be mediated by the p73-CamKII signalization.

L’encéphalopathie hépatique (EH) est une complication neuropsychiatrique de la maladie de foie telle que la cirrhose, caractérisée par des dysfonctions cognitives et motrices. Le seul traitement curatif est la transplantation hépatique (TH). Historiquement, l’EH est considérée comme un désordre métabolique réversible et il est attendu qu’il soit résolu suivant la TH. Cependant, il a été démontré que des complications neurologiques persistent chez 47% des patients transplantés. La TH est une opération chirurgicale complexe accompagnée de stress péri-opératoire telle que la perte sanguine et l’hypotension. L’hypothèse de ce projet d’étude est que l’EH minimale (EHm) rend le cerveau plus susceptible à une perte neuronale suite à une insulte hypotensive. Nous avons donc caractérisé un modèle d’hypotension chez des rats cirrhotiques avec ligation de la voie biliaire (BDL) dans lequel une hypovolémie de l’artère fémorale a été faite. Avec ce modèle, nous avons étudié l’impact de différentes pressions sanguines de 120 minutes sur le compte neuronal. Nos résultats démontrent que les BDL hypotendus à une pression artérielle moyenne de 60 mmHg et 30 mmHg ont une diminution du compte neuronal et que les neurones mourraient par apoptose (observée par la présence de caspase-3 clivée). Nous avons également déterminé que le flot sanguin cérébral était altéré chez les rats cirrhotiques BDL. Le second objectif était d’évaluer si le traitement de l’EHm par l’ornithine phénylacétate (OP) permettait d’éviter la perte neuronale chez les BDL hypotendus. Nos résultats ont démontrés que l’OP permettait de partiellement rétablir les fonctions cognitives chez les rats BDL. De plus, les rats BDL traités avec l’OP peuvent éviter la mort neuronale. Cependant, le processus apoptotique est toujours enclenché. Ce résultat suggère la possibilité de mort cellulaire retardée par l’OP. Ces résultats suggèrent que les patients cirrhotiques avec EHm sont plus susceptibles à une mort neuronale induite par hypotension. La combinaison de l’EHm et l’hypotension permet d’expliquer les complications neurologiques rencontrées chez certains patients. Le diagnostic et le traitement de ce syndrome doit donc être fait chez les patients cirrhotiques pour éviter ces complications post-TH. / Hepatic encephalopathy (HE) is a major neuropsychiatric complication caused by chronic liver disease such as cirrhosis and is characterized by cognitive and motor dysfunction. The only curative treatment to date remains liver transplantation (LT). Historically, HE has always been considered to be a reversible metabolic disorder and has therefore been expected to completely resolve following LT. However, persisting neurological complications remain a common problem affecting as many as 47% of LT recipients. LT is a major surgical procedure accompanied by intraoperative stress and confounding factors, including blood loss and hypotension. We hypothesize, in the setting of minimal HE (MHE), the compromised brain becomes susceptible to hypotensive insults, resulting in cell injury and death. To investigate this hypothesis, six-week bile-duct ligated (BDL) rats with MHE and respective controls (SHAM) were used. Blood is withdrawn from the femoral artery (inducing hypovolemia) until a mean arterial pressure of 30, 60 and 90 mmHg (hypotension) and maintained for 120 minutes. Our results demonstrated that BDL with following hypotension of 30 and 60 mmHg have a lower neuronal cell count compared to SHAM-operated animals. Furthermore, we provide evidence neuronal cell death is occurring due to apoptosis (observed by presence of cleaved caspase-3). In addition, cerebral blood flow is reduced in BDL rats compared to SHAM-operated controls. Second objective was to assess the therapeutic potential of the ammonia-lowering agent ornithine phenylacetate (OP) in preventing hypotension-induced neuronal loss in BDL rats. OP-treated BDL rats, in addition to lowering blood ammonia, also ameliorated cognitive function. However, cleaved caspase-3 levels were still elevated in the brains of OP-treated BDL rats therefore suggesting OP delays the onset of neuronal death in BDL rats. Overall, these findings strongly suggest that cirrhotic patients with MHE are more susceptible to hypotension-induced neuronal cell loss. Moreover, these results suggest a patient with HE (even MHE), with a “frail brain”, will fare worse during LT transplantation and consequently result in poor neurological outcome. Combination of MHE and hypotension may account for the persisting neurological complications observed in a number of cirrhotic patients following LT. Therefore, MHE, i) should not be ignored and therefore diagnosed and ii) merits to be treated in order to reduce the risk of neurological complications occurring post-LT

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT. / Excitotoxicity has been implicated as a major pathophysiological mechanism in the pathogenesis of thiamine deficiency (TD). Excitotoxic-mediated cell death is localized in areas of focal vulnerability in TD and may occur as a consequence of impairment in mitochondrial energy metabolism, sustained cell membrane depolarization and decreased uptake of glutamate by astrocytes due to the loss of excitatory amino acid transporters, (EAAT1 and EAAT2). Over the years, a number of studies have identified glutamate as being a major contributor to excitotoxicity in the pathophysiology of TD. Thus, downregulation of astrocytic glutamate transporters resulting in excitotoxicity is a key feature of TD and understanding the regulation of these transporters is essential to understanding the pathophysiology of the disorder. The objective of the present thesis project was to examine the underlying basis of astrocytic glutamate transporter regulation during TD encephalopathy. Major findings of the studies presented in this thesis project provide evidence for glutamate transporter abnormalities in TD animal models and astrocyte cultures exposed to TD. TD results in the loss of the glutamate transporter splice variant-1b (GLT-1b) in vulnerable areas of brain, i.e. thalamus and inferior colliculus, with no significant alteration in the mRNA levels of the transporters, suggesting that glutamate transporter regulation under conditions of TD is a posttranscriptional event. Studies using a specific inhibitor of the transcription factor, Nuclear factor-kappa B (NF-κB) and a nuclear enzyme poly (ADP)ribose polymerase-1 (PARP-1) provided evidence for the regulation of GLT-1 by PARP-1 dependent NF-κB signalling pathways. The major findings of this study suggested an increase in the activation of PARP-1 and NF-κB molecule in the vulnerable areas of TD rat brain and TD astrocyte cultures. Pharmacological inhibition of NF-κB showed an increase in the levels of GLT-1, while inhibition of PARP-1 using a specific PARP-1 inhibitor, DPQ inhibited the increased activation of NF-κB that was observed during TD. Overall results of this finding provided evidence for a mechanism involving PARP-1 activation in the regulation of glutamate transporters. Given the increased lactate accumulation as a classical feature of TD, we studied the effect of soluble factors produced by astrocytes on glutamate transporter function. Treatment of naïve astrocyte cultures with TD conditioned media resulted in decreased levels of GLT-1 and inhibition of glutamate uptake capacity concomitant with a loss of mitochondrial membrane potential. Administration of exogenous lactic acid produced a similar reduction in glutamate uptake to that resulting from conditioned media. However, lactic acid treatment did not result in a change in GLT-1 protein levels. In addition, the pro-inflammatory cytokine TNF-α was shown to be increased in astrocytes treated with TD along with elevated levels of the phospho-IκB fragment, indicative of increased activation of NFκB. Inhibition of NFκB led to an amelioration of the decrease in GLT-1 that occurs in TD, along with recovery of glutamate uptake. Thus, soluble factors released from astrocytes under conditions of metabolic impairment such as lactate and TNF-α impairment appear to exert a regulatory influence on glutamate transporter function. Ceftriaxone, a β-lactam antibiotic, has the ability to differentially stimulate GLT-1b (splice-variant) expression in the inferior colliculus in TD rats and under in vitro conditions with TD astrocyte cultures. Thus, ceftriaxone may be a potential therapeutic strategy in the regulation of glutamate transporter function during TD. In summary, excitotoxic cell death in TD occurs as a consequence of mitochondrial dysfunction associated with cerebral energy impairment and abnormal glutamate transporter status. A major underlying mechanism for glutamate transporter abnormalities is mediated by PARP-1 dependent NF-κB signaling pathways. In addition, metabolic inhibition with substantial production of lactate and TNF-α may be perhaps another mechanism responsible for glutamate transporter downregulation in TD.

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