<p>The field of "perinatal programming" has increasingly implicated an adverse early-life environment in the etiology of many chronic health problems and mental disorders. The following dissertation research is based on the hypothesis that the programming of brain and behavior by an altered early-life environment is propagated by inflammatory mechanisms in the placenta and developing brain. Offspring outcomes of two different maternal environmental exposures--air pollution and a "Western diet" (both highly relevant for the modern world)--were assessed in a mouse model in order to identify mechanisms common to developmental programming more generally.</p><p>The first set of experiments characterized the long-term behavioral and metabolic consequences of prenatal air pollution exposure in adult offspring. The male offspring of diesel exhaust particle (DEP)-exposed dams were predisposed to obesity, insulin resistance, and increased anxiety following placement on a high-fat diet (HFD) in adulthood. Furthermore, DEP/HFD male offspring exhibited evidence of macrophage priming, both in microglia and peripheral macrophages. The next experiment examined whether prenatal air pollution exposure could also synergize with a simultaneous "second hit" (i.e., maternal stress) during gestation. The offspring of mothers exposed to both air pollution and stress during gestation were more anxious as adults, but only the male offspring of this group also exhibited impaired cognition, in conjunction with neuroinflammatory changes. A further experiment revealed that prenatal air pollution exposure altered microglial maturation in a TLR4- and sex-dependent manner, consistent with the previous results. However, we found limited evidence of a placental immune response to DEP, potentially due to analysis too late in gestation. </p><p>The second set of experiments characterized the enduring behavioral and metabolic consequences of maternal consumption of a "Western diet" (HFD in combination with BCAA supplementation) prior to and during gestation and lactation. The adult offspring of HFD-fed dams were more anxious in adulthood, despite being placed on a low-fat diet at weaning. Male HFD offspring were also hyperactive, whereas female HFD offspring exhibited more severe metabolic disturbances. Furthermore, there was evidence of microglial priming and peripheral macrophage priming in male HFD offspring, similar to the prenatal air pollution model. The next experiment also found evidence of altered microglial development due to maternal HFD, in conjunction with widespread, sex-specific immune gene regulation in the placenta in response to maternal diet. Moreover, maternal HFD decreased placental serotonin production, and also programmed long-term alterations in serotonergic function in the prefrontal cortex of adult HFD offspring. Taken together, these experiments define sexually dimorphic innate immune mechanisms in the placenta and developing brain that may underlie the long-term metabolic and behavioral consequences of maternal environmental exposures.</p> / Dissertation

L’expression ‘programmation périnatale’ est employée pour décrire les effets à long terme d’un environnement gestationel néfaste observés chez la progéniture. Ce concept est aujourd’hui bien reconnu. Notre laboratoire a déjà démontré l’impact de l’hyperglycémie maternelle sur le développement rénal des embryons à l’aide des souris HoxB7-GFP transgéniques (Tg) et qui se traduit par une augmentation des espèces réactives de l’oxygène (ROS) et une néphrogenèse perturbée. Les rejetons affectés présentent ainsi des reins plus petits et possédant un nombre inférieur de néphrons à la naissance, et développent une hypertension et des dommages rénaux à l’âge adulte (20 semaines). Dans la première étude, nous avons tenté de réduire la production excessive de ROS dans les reins en développement par la surexpression de la catalase (CAT). Pour ce faire, nous avons croisé les souris CAT-Tg qui surexpriment la CAT dans les cellules des tubules proximaux rénaux (RPTCs) aux souris HoxB7-GFP-Tg afin de générer les souris HoxB7/CAT-GFP-Tg. Nous espérons observer la normalisation du nombre de néphrons et la prévention de l’hypertension et des dommages rénaux observés chez la progéniture issue d’un environnement gestational hyperglycémique. Nous avons observé que la surexpression de CAT dans les RPTCs permet de normaliser la dysmorphogenèse rénale présente chez les embryons de mères diabétiques. À l’âge adulte, la surexpression de CAT dans les RPTCs permet également de réduire la génération des ROS et l’hypertension, tout en améliorant la morphologie et la fonction rénale. Afin de définir les mécanismes impliqués dans ce processus, nous avons étudié le rôle potentiel de Nrf2 (‘nuclear factor-erythroid 2p45 (NF-E2) related factor-2’; un facteur de transcription des gènes antioxidants) et HO-1 (hème oxygénase-1’; une enzyme antioxidante). À la fois Nrf2 et HO-1 sont de forts antioxidants et ont été rapportés comme protecteurs pour le rein. Nous avons observé une surexpression des gènes et protéines Nrf2 et HO-1, en plus d’une translocation nucléaire accrue de Nrf2, dans les RPTCs de la progéniture des mères diabétiques, indiquant que chez les souris surexprimant CAT, Nrf2 et HO-1 sont tous deux bien activés et fonctionnels. En conclusion, nos études suggèrent que la surexpression de CAT dans les RPTCs permet de prévenir la programmation de l’hypertension et les dommages rénaux observés à l’âge adulte chez la progéniture issue de mères diabétiques, en partie suite à l’activation du système de défense Nrf2-HO-1 dans leurs reins. Il a déjà été démontré que l’activation du système rénine-angiotensine (RAS) intrarénal induit l’hypertension en augmentant la constriction des artérioles et la réabsorption du sodium par les tubules rénaux. Une activation du récepteur AT1R et de ses voies de signalisation induit également les dommages rénaux observés dans plusieurs pathologies. Dans le cadre de mon second article, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel l’angiotensine (Agt) intrarénale induit l’hypertension et des dommages rénaux en réduisant l’expression de l’aquaporine 1 (AQP1, le canal pour l’eau le plus important dans les RPTCs). Des souris transgéniques surexprimant l’Agt de rat (rAgt-Tg) dans leurs RPTCs et des clones stables de cellules immortalisées de tubule proximal de rein de rat (IRPTCs) surexprimant le rAgt (pRSV/rAgt-IRPTC) ont été étudiés. Lorsque comparés aux souris non-transgéniques, les souris rAgt-Tg développent de l’hypertension et des dommages rénaux. Ces changements sont atténués par le traitement avec une double inhibition du RAS (losartan et perindopril). L’expression des protéines AQP1 et HO-1 est réduite dans les RPTCs, tandis que Nrf2 et le transporteur sodique NHE3 sont augmentés, à la fois in vivo et in vitro. Ces changements sont renversés par la double inhibition du RAS chez les animaux expérimentaux. Même si les niveaux de Nrf2 sont élevés, une accumulation cytosolique causée par une augmentation de l’export nucléaire induit par GSK3β se produit et ne parvient donc pas à induire l’expression des gènes en aval comme HO-1, ni à réduire l’expression de l’AQP1. En conclusion, nos résultats suggèrent qu’une déficience en Nrf2 nucléaire mène à une diminution de l’expression de HO-1 et une régulation négative de l’AQP1, jouant un role dans l’hypertension et les dommages rénaux induits par l’Agt intrarénal. L’hypertension et les dommages rénaux sont des maladies très hétérogènes et multifactorielles qui impliquent l’interaction de diverses molécules et voies de signalisations, et sont influencées par plusieurs facteurs environnementaux tels la diète ou la programmation périnatale. Tous ces différents facteurs contribuent à la progression de l’hypertension et des dommages rénaux, rendant les stratégies de traitement d’autant plus complexes. Dans notre étude, nous avons évalué le développement de l’hypertension dans deux circonstances : l’hypertension de la progéniture programmée par le diabète maternel et l’hypertension induite par l’activation du RAS intrarénal. Nous avons démontré que la génération des ROS dans les reins constitue un facteur majeur commun dans nos deux modèles d’hypertension chez la souris. De plus, le gène/facteur de transcription antioxydant Nrf2, sensible aux ROS, joue un rôle important dans le processus. Grâce à une meilleure compréhension des diverses voies qui mènent à la progression de l’hypertension, nous espérons qu’il sera possible de développer de meilleurs traitements pour faire face à l’hypertension. / The term ‘perinatal programming’ is used to describe the phenomenon that maternal adverse environment during pregnancies which have profound influences to their offspring later in life. And this concept is well accepted. Previously, we successfully created an in vivo murine model and demonstrated that maternal diabetes constitutes an adverse in utero environment that may fundamentally impair nephrogenesis and subsequently program of the offspring to develop hypertension and kidney injury in adulthood. It appears that enhanced reactive oxygen species (ROS) generation, activation of the nuclear factor-kappa B (NF-kB), intrarenal renin- angiotensin system (RAS) and p53 pathways were involved in the underlying mechanisms. In our first study, we investigated whether overexpression of catalase (CAT) in renal proximal tubular cells (RPTCs) could prevent the perinatal programming of hypertension and kidney injury in male offspring of diabetic dams and examined the potential underlying mechanisms both in vivo and in vitro. Our data demonstrate that CAT overexpression in RPTCs exert a direct effect on nephrogenesis in utero and ameliorate maternal diabetes- induced dysnephrogenesis. And further consequently, CAT overexpression in RPTCs preventing maternal diabetes-induced perinatal programming, mediated at least in part, via the nuclear factor-erythroid 2p45 (NF-E2) related factor-2 (Nrf2)- heme oxygenase (HO)- 1 defense system. Intrarenal RAS activation has attracted more attention in recent years due to studies have been reported that activation of the intrarenal RAS can elicit hypertension and kidney injury independently from the systemic RAS. Previously, we established a murine model (Agt-Tg) that specifically overexpress rat angiotensinogen (Agt) in their RPTCs and develops hypertension and nephropathy. Aquaporin 1 (AQP1) is the major water channel within renal RPTCs, but whether it has a regulatory role in the development of hypertension and nephropathy remains elusive. Our second study aimed to examine the regulation of AQP1 expression in an intrarenal RAS-induced hypertension and kidney injury, focusing on underlying molecular mechanisms. We believe that both our in vivo and in vitro studies identified a novel mechanism(s) in which Agt overexpression in RPTCs enhances cytosolic accumulation of Nrf2 via the phosphorylation of pGSK3β Y216. Consequently, less intranuclear Nrf2 is available to trigger HO-1 expression as a defense mechanism and subsequently diminishes AQP1 expression in RPTCs. In conclusion, our data suggest that Agt mediated-downregulation of AQP1 and Nrf2 signaling may play an important role in intrarenal RAS-induced hypertension and kidney injury. Hypertension and kidney injury is a heterogeneous and multifactorial disease that involves the interaction of various molecules/pathways and the influence of environmental factors, for instance, diet and perinatal programming. Such diverse causes contribute to the progression of hypertension and kidney disease, making the strategy of treatment even more complex. In our present study, we evaluated the development of hypertension under two circumstances: maternal diabetes-programmed hypertension in offspring and intrarenal RAS activation-induced hypertension. We found that ROS generation in the kidneys is a major and common factor in both hypertensive mice model. Also, the ROS-sensitive antioxidant gene/transcription factor – Nrf2, plays an important role in the process. By understanding the pathways that lead to hypertension progression, we can hopefully develop more effective treatments to cope with the disease.

Les données épidémiologiques indiquent que le diabète maternel est associé de manière significative aux anomalies congénitales des reins et des voies urinaires (CAKUT), ce qui implique un risque accru de CAKUT chez la progéniture des mères diabétiques par rapport à la population globale. Les causes de CAKUT sont multifactorielles, impliquant des facteurs génétiques et environnementaux. Le récepteur de l’angiotensine II de type 2 (AT2R) est l’un des gènes candidats impliqués dans le CAKUT humain et murin. Bien que de nombreuses études soutiennent l’influence des facteurs génétiques et environnementaux sur le développement rénal et la pathogenèse de CAKUT, les effets du gène AT2R et du milieu hyperglycémique in utero sur le développement rénal et les effets à long terme chez les enfants de mères diabétiques ne sont pas clairs. Cette thèse a pour objectif d'étudier l'influence de chaque facteur individuellement, ainsi que l'interaction entre ces deux facteurs. Premièrement, nous avons examiné si le déficit en AT2R (AT2RKO) altère la glomérulogenèse via la formation, la maturation et l'intégrité des podocytes. Nous avons observé que la glomérulogenèse était diminuée chez les embryons E15 AT2RKO, mais le nombre de néphrons ne présentaient aucune différence entre les nouveaux-nés AT2RKO et les souris de type sauvage. Les souris AT2RKO présentaient une dysplasie rénale avec un volume de touffes glomérulaires et un nombre de podocytes inférieurs à l’âge de trois semaines. Nos études ont démontré que la perte d’AT2R via l’augmentation de la génération des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) induite par la NADPH oxydase 4 (Nox4) stimulait l’interaction avec la protéine Hhip (‘Hedgehog interacting protein’), ce qui déclenchait en outre soit l’apoptose des podocytes par l’activation des voies de la caspase- 3 et de la p53, soit la transition épithéliale-mésenchymateuse des podocytes (EMT) par l’activation de la signalisation TGFβ1–Smad2/3. L'ARNm de Hhip glomérulaire était régulé positivement dans les biopsies rénales chez les patients atteints de glomérulosclérose segmentaire focale (FSGS). Les résultats suggèrent que le déficit en AT2R est associé à une perte ou un dysfonctionnement des podocytes et est dû, au moins en partie, à une expression accrue de Hhip ectopique dans les podocytes. Deuxièmement, nous avons cherché à établir les mécanismes sous-jacents par lesquels un milieu hyperglycémique in utero et un régime riche en graisses (HFD) après le sevrage accélèrent la programmation périnatale des lésions rénales. Nous avons observé que la progéniture des mères atteintes de diabète sévère avait un phénotype de restriction de croissance intra-utérine (IUGR) et avait développé une hypertension légère et des signes d'atteinte rénale à l'âge adulte. De plus, la progéniture nourrie avec une HFD post-sevrage présentait un rattrapage rapide de la croissance puis des lésions rénales associées à une augmentation de l’expression rénale de TGFβ1 et du collagène de type IV, à la production de ROS et à une accumulation de lipides rénaux, mais sans hypertension systémique. Des études in vitro ont démontré que le HFD ou les acides gras libres accéléraient le processus de programmation périnatale des lésions rénales, via une expression accrue de CD36 et de la protéine de liaison aux acides gras (Fabp4) qui cible les ROS, le facteur nucléaire-kappa B et le TGFβ1. Ces résultats indiquent que l'exposition précoce à l'HFD chez les enfants de mères diabétiques ayant subi une IUGR augmente le risque d'apparition de lésions rénales à l’âge adulte, mais pas d'hypertension. En résumé, AT2R joue un rôle essentiel dans la glomérulogenèse et influence l'intégrité et la fonction du podocyte via des altérations de l'expression de Hhip. En outre, les enfants de mères diabétiques ont un risque accru d'hypertension et de lésions rénales; la surnutrition postnatale accélère les lésions rénales chez ces enfants. Bien que le gène AT2R et le milieu hyperglycémique in utero aient tous les deux un impact sur le développement du rein et sur les maladies rénales ultérieures, l'interaction entre ces deux facteurs doit encore faire l'objet d'études supplémentaires. / Epidemiologic data indicate that maternal diabetes significantly associates with congenital anomalies of the kidney and urinary tract (CAKUT), which implies an increased chance of CAKUT in the offspring of mothers with diabetes compared to the general population. The causes of CAKUT are multifactorial, involving genetic and environmental factors. The angiotensin II receptor type 2 (AT2R) is one of the candidate genes to be implicated in both human and murine CAKUT. Although numerous studies support the influence of genetic and environmental factors on kidney development and the pathogenesis of CAKUT, the impacts of the AT2R gene and hyperglycemic milieu in utero on kidney development and long-term outcomes in the offspring of diabetic mothers remain unclear. This thesis aims to investigate the influence of each factor individually, as well as their interaction. Firstly, we investigated whether AT2R deficiency (AT2R knock-out (KO)) impairs glomerulogenesis via podocytes formation, maturation and integrity. We observed that glomerulogenesis is decreased in AT2RKO embryos at embryonic day 15 (E15), but actual nephron numbers are no different between AT2RKO and wild-type newborn mice. AT2RKO mice exhibited renal dysplasia with lower glomerular tuft volume and reduced podocyte numbers at the age of three weeks. Our studies demonstrated that loss of AT2R via NADPH oxidase 4 (Nox4)-derived reactive oxygen species (ROS) generation stimulates ectopic hedgehog interacting protein (Hhip) expression, which further triggers either podocyte apoptosis by the activation of the caspase-3 and p53 pathways or podocyte epithelial–to– mesenchymal transition (EMT) by the activation of TGFβ1–Smad2/3 signaling. Glomerular Hhip mRNA is upregulated in kidney biopsies of patients with focal segmental glomerulosclerosis (FSGS). The results suggest that AT2R deficiency is associated with podocyte loss/dysfunction and is mediated, at least in part, via increased ectopic Hhip expression in podocytes. Secondly, we aimed to establish the underlying mechanisms by which a hyperglycemic milieu in utero and a post-weaning high-fat diet (HFD) accelerate the perinatal programming of kidney injury. We observed that the offspring of dams with severe maternal diabetes have an intrauterine growth restriction (IUGR) phenotype and develop mild hypertension and evidence of kidney injury in adulthood. Moreover, those offspring fed with a post-weaning HFD result in rapid catch-up growth and subsequent profound kidney injury associated with the augmentation of renal TGFβ1 and collagen type IV expression, increased production of ROS, and accumulation of renal lipids, but not systemic hypertension. In vitro studies demonstrated that HFD or free fatty acids accelerate the process of perinatal programming of kidney injury, via increased CD36 and fatty acid-binding protein 4 (Fabp4) expression, which targets ROS, nuclear factor-kappa B and TGFβ1 signaling. These results indicate that early postnatal exposure to HFD in IUGR offspring of diabetic dams increases the risk of later developing kidney injury, but not hypertension. In summary, AT2R plays an essential role in glomerulogenesis and influences the podocyte integrity and function via alterations of Hhip expression. In addition, the offspring of diabetic mothers have an increased risk of hypertension and kidney injury; postnatal overnutrition further accelerates kidney injury in those offspring. Although both AT2R and hyperglycemic milieu in utero have an impact on kidney development and later kidney diseases, the interaction between these two factors still needs further studies.

Dans ce travail de thèse, nous avons évalué les effets inflammatoires, comportementaux et cognitifs de l’exposition périnatale des souris à trois matrices alimentaires d’anguilles, reflétant 3 niveaux de pollution (faible, moyenne et haute), tout en considérant le sexe de la progéniture ainsi que les différentes phases d’âges. Les réponses inflammatoires ont été évaluées, aussi bien au niveau cérébral, y compris dans les cellules de la microglie, qu’au niveau périphérique, à 4 stades de vie distincts, et ce dès la naissance jusqu’à l’âge moyen. Chez les souriceaux, mâles et femelles, dont leurs génitrices ont consommé de l’anguille contaminée, durant la période gestationnelle et lactationnelle, vs les témoins dont leurs mères ont consommé uniquement la diète standard, nos résultats ont montré une neuro-inflammation précoce et prononcée, ainsi qu’une production accrue des marqueurs pro-inflammatoires par les cellules de la microglie durant la période néonatale et postnatale. Cette réponse pro-inflammatoire a été chronique puisqu’elle a été à nouveau détectée même à un âge avancé (âges adulte et moyen). Nos résultats mettraient en évidence l’activation et la polarisation des cellules de la microglie depuis la naissance, chez les animaux exposés, vers le phénotype M1, susceptible d’induire les effets neurotoxiques apparus beaucoup plus tard dans les stades de la vie. En effet, un comportement dépressif-like a été observé à l’âge adulte uniquement chez les mâles. Cette altération sexe dépendante du comportement de résignation a été attribuée à l’hyperactivation de l’axe de stress, l’axe hypothalamique pituitaire surrénalien, mise en évidence par une forte production de la corticostérone chez les mâles à l’âge adulte. Chez les femelles, nous avons mis en évidence le développement d’un comportement hyperactif dès l’âge adulte, et d’un déclin cognitif à l’âge moyen. Nos résultats suggèrent que le déficit de la mémoire de rétention des femelles d’âge moyen exposées périnatalement à des anguilles moyennement et hautement contaminées serait lié à la diminution significative de l’activation à la fois d’ERK ½ et du NF-κB ainsi qu’à la réduction significative du taux d’acétylcholine, détectées au niveau de l’hippocampe de ces souris. A partir de ces données et de celles obtenues par d’autres membres de notre équipe, il apparait de plus en plus pertinent de prendre en considération le risque du couplage des effets neuro-oxydatif et neuro-inflammatoire dans la genèse de nombreux troubles cognitifs et comportementaux surtout de manière tardive et irréversible. Cela pourrait également être à l’origine d’une fragilité et d’une imprégnation précoce de différentes populations cellulaires qui conduiraient tardivement à une dégénérescence précoce des cellules en particulier au niveau neuronal et glial. En conclusion, nos résultats suggèrent une programmation périnatale sexe-dépendante des troubles, mis en évidence aussi bien sur le plan comportemental que sur le plan cognitif chez les souris dont leurs mères ont consommé de l’anguille polluée, via des mécanismes inflammatoires. Cela laisse supposer un impact endocrino-dépendant dont il faudrait confirmer la réalité et les mécanismes / Several lines of evidence indicate that early-life inflammation may predispose to mental illness in later-life. In our study, we investigated the impact of perinatal exposure to polluted eels on the brain and microglia inflammation in a lifespan approach as well as on the resignation behavior, the locomotor activity and the cognitive performances in the later life of male and female offspring mice. The effects of maternal standard diet (laboratory food) were compared to the same diet enriched with low, intermediate, or highly polluted eels. Our results showed a chronic brain inflammation in male and female offspring mice compared to controls, as assessed at the birth, up weaning, adulthood and middle-age. Activated microglia produced pro-inflammatory markers across the lifespan of male as well as female exposed offspring. The plasmatic level of myeloperoxidase was found to be significantly higher in both adult and middle-aged males and females vs. control offspring. However, high corticosterone levels were only found in adult male offspring mice perinatally exposed to polluted eels, suggesting a sex-selective dysregulation of the adult hypothalamic- pituitary- adrenal (HPA) axis. Sex selective differences were also found in adulthood, with regard to the offspring resignation behavior. Indeed, depressive-like symptoms were only found in adult male mice perinatally exposed to polluted eels. On the middle- age, sexe selective effects were found with regard to memory and locomotor activity. Indeed, hyperactive phenotype was only detected in females. In addition, impaired long-term memory was only detected in middle-aged females, perinatally exposed to either intermediately or highly polluted eels. This deficit was related to decreases in ERK1/2 and p65 activation, and acetylcholine levels that were only detected in female hippocampus exposed to either intermediately or highly polluted eels. In conclusion, our results indicated that early-life inflammatory insults were the plausible causative factor that programmed the behavior impairments and cognitive deficit in the later-life of offspring, and suggested that sex played an important role in the determination of nature of the appeared alterations