La vision est rendue possible grâce à la conversion du signal lumineux en un signal électrique par la cascade de phototransduction visuelle, qui implique plusieurs protéines incluant la phosphodiestérase (PDE). L’inactivation des différentes protéines de la phototransduction est primordiale pour que les photorécepteurs retrouvent leur sensibilité aux changements d’intensité lumineuse. Au cours de ce processus, un complexe de protéines incluant la R9AP (RGS9-1 Anchor Protein) inactive la PDE. La R9AP permet l’ancrage d’un complexe protéique à la membrane des disques des photorécepteurs via son segment C-terminal hydrophobe. Des mutations au niveau de la séquence de la R9AP mènent à une maladie appelée bradyopsie qui se caractérise notamment par une photophobie et une difficulté à suivre des objets en mouvement. Cette maladie peut être causée par la perte de la liaison membranaire de la R9AP en raison de mutations menant à une modification de la séquence en acides aminés de son segment C-terminal. La liaison membranaire de la R9AP joue donc un rôle majeur dans l’inactivation de la PDE. Par contre, aucune donnée de liaison membranaire et structurale n’est disponible pour cette protéine. Nous avons donc initié la caractérisation de la structure et de la liaison membranaire de différentes formes de la R9AP, soit la protéine avec et sans son segment C-terminal (∆TM, R9AP∆TM) ainsi que le segment C-terminal seul. Afin d’obtenir la R9AP pure, nous avons cloné, surexprimé et purifié la R9AP∆TM en fusion avec différentes étiquettes de solubilisation/purification. Les protéines recombinantes ont été produites à l’aide d’un système d’expression bactérien. En plus de permettre d’obtenir la R9AP pure pour caractériser sa structure et sa liaison membranaire, ces travaux ont significativement contribué à faire avancer les connaissances à propos de l’utilisation des étiquettes de purification/solubilisation en fusion avec une protéine d’intérêt. En effet, nous avons effectué une étude systématique pour étudier l’impact de la conception des protéines de fusion sur la solubilité, l’expression et la purification de protéine d’intérêt. Il s’agit de la première étude systématique évaluant l’effet du positionnement et de l’identité des différentes étiquettes de purification/solubilisation sur ces paramètres. Également, la production des protéines recombinantes a permis d’identifier un site alternatif d’initiation de la traduction dans la séquence de l’étiquette GST (glutathione S-transférase) qui cause l’expression d’une protéine de fusion tronquée. Cette observation aura certainement un fort impact compte tenu de l’utilisation répandue de l’étiquette GST. Concernant les résultats obtenus avec la R9AP, des données de centrifugation ont montré que la protéine complète est beaucoup moins soluble que la R9AP∆TM, ce qui suggère un rôle important du segment C-terminal hydrophobe dans la solubilité de cette protéine. Ainsi, seulement la structure et la liaison membranaire de la R9AP∆TM ont pu être investiguées dans le cadre de cette thèse. Des mesures par dichroïsme circulaire et spectroscopie infrarouge ont montré que la R9AP∆TM ainsi que le peptide C-terminal sont majoritairement constitués d’hélices alpha, ce qui appuie les prédictions structurales de cette protéine et un rôle d’ancrage membranaire de son segment C-terminal. Également, les mesures de liaison membranaire à l’aide des monocouches de Langmuir ont montré que ce segment C-terminal seul possède une forte affinité pour la majorité des phospholipides qui sont représentatifs de la composition lipidique des photorécepteurs. En revanche, la R9AP sans son segment transmembranaire a montré une faible affinité pour la majorité de ces phospholipides. Ainsi, nos travaux suggèrent fortement que la spécificité de liaison membranaire de la R9AP est en majorité dictée par son segment C-terminal, ce qui supporte son rôle important dans l’ancrage du complexe protéique aux membranes des disques des photorécepteurs et dans la bradyopsie. / Visual phototransduction involves many proteins including phosphodiesterase, which leads to photoreceptor hyperpolarization and then signal transmission to the brain. Inactivation of the different proteins involved in this process is essential such that photoreceptors remain sensitive to changes in light intensity. In the course of this inactivation, a protein complex including R9AP (RGS9-1 Anchor Protein) inactivates phosphodiesterase (PDE). R9AP anchors a protein complex to disk membranes of the photoreceptor outer segments most likely by use of its C-terminal hydrophobic domain. Mutations in the coding sequence of R9AP lead to a visual disease called bradyopsia, which results in problems with adjusting to light variations and difficulties to follow moving objects. This disease can be caused by the loss of the membrane binding of R9AP as a result of mutations that modify the amino acid sequence of its C-terminal domain. Membrane binding of R9AP thus plays a major role in the inactivation process of PDE. However, membrane binding and structural data are still lacking for this particular protein. We have thus initiated the characterization of the structure and membrane binding of R9AP, including the fulllength protein, R9AP without its C-terminal domain (R9AP∆TM), as well as its Cterminal domain alone. In order to get pure R9AP, we have cloned, overexpressed and purified R9AP∆TM in fusion with solubility-enhancing/purification tags. Recombinant proteins were expressed using a bacterial expression system. This study allowed us to develop a procedure to obtain pure R9AP∆TM as well as to significantly improve our understanding of the use of fusion proteins. Indeed, we have performed a systematic analysis of the impact of the design of fusion proteins on their solubility, expression and purification. This study was the first one to evaluate the effect of both the identity and the position of the tags on the solubility, expression and purification of proteins of interest. Also, the production of R9AP∆TM recombinant proteins allowed us to identify an alternative translation initiation site in the coding sequence of the GST (glutathione S-transferase) tag, which results in the expression of a truncated fusion protein. This finding will certainly have an important impact when considering the extensive use of the GST tag. Results have shown that the R9AP∆TM protein is much more soluble than the fulllength protein, which suggests a major role of the C-terminal domain of R9AP for its solubility. Thus, the structure and the membrane binding of R9AP∆TM have been investigated within the scope of this thesis. Infrared spectroscopy as well as circular dichroism measurements have allowed determining that R9AP∆TM as well as the C-terminal domain adopt an alpha-helical structure, which is in good agreement with both the predicted structure of R9AP and the transmembrane role of its C-terminal domain. Also, Langmuir monolayer measurements revealed that the C-terminal segment has a high affinity for most of the phospholipids found in photoreceptor membranes. In contrast, R9AP∆TM has a low affinity for these phospholipids. Thus, our results demonstrate that the membrane binding of R9AP is highly dependent on its C-terminal segment, which is consistent with its important role in anchoring the protein complex to disk membranes of the photoreceptor outer segments and in bradyopsia.

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

L’imagerie super-résolue délivrée par l’optique adaptative permet d’imager la rétine à l’échelle cellulaire et rentre au service du diagnostic et du suivi de pathologie de l’oeil mais aussi à une meilleure connaissance de l’anatomie, des fonctions et des mécanismes de la rétine.Dans un premier temps nous avons défini la méthode permettant de positionner le centre de la fovéa ainsi que de mesurer la densité des cônes avec la meilleure répétabilité. Le centre de l’ellipse de plus fortes densités permet de positionner le centre de la fovéa. La densité des cônes est mesurée dans une fenêtre de 80 par 80 pixels à une excentricité mesurée sur un montage établi à partir de clichés réalisés tous les 2°.Un des aspects fondamental de ce projet est la réalisation d’une base de données cliniques normatives liées à des bio-marqueurs (densité, espacement et morphologie des cônes). En effet il est nécessaire de fournir des mesures quantitatives des structures visualisées. Cette étude a permis de caractériser la structure rétinienne d’une population saine ne présentant aucune maladie rétinienne, de façon à établir un référentiel de normalité. Cette étude nous a aussi permis de répondre aux questions laissées sans réponse par la littérature. Nous avons constaté que la densité des cônes différait nettement entre les méridiens horizontaux et verticaux. Nous avons également observé que la longueur axiale influait sur la densité des cônes exprimée en unité de surface mais pas en terme d'angle visuel, supportant l'hypothèse que la rétine s'étirait avec l'allongement du globe oculaire. Enfin, l'âge ne semble pas avoir d'impact sur la densité des cônes excepté à 2°.Nous nous sommes ensuite intéressé au lien entre l’acuité visuelle périphérique et l’espacement des cônes. Il est connu que les cellules ganglionnaires midgets (mRGC) sont responsables de la résolution visuelle. Mais, au niveau de la fovéa, chaque cône se connecte, via des cellules bipolaires, à une mRGC ON et OFF. Cette particularité anatomique rend la mesure de l’espacement entre les cônes un substitut observable aux cellules ganglionnaires permettant ainsi le lien avec l'acuité visuelle. Nous avons donc déterminé jusqu'à quelle excentricité les cônes ne sont plus un substitut observable des cellules ganglionnaires. Nous avons constaté que l’acuité visuelle est régit par l’espacement des cônes jusqu’à 2° d’excentricité, à la fois en rétine nasale et inférieure, soutenant l'idée que seulement 50% des mRGC fovéale détermine l’acuité visuelle (mRGC ON ou OFF). Au delà, l’espacement des cônes surestime l’acuité visuelle. Watson a développé un modèle permettant de prédire l’acuité visuelle sur la base de l’espacement entre les mRGC lui-même dérivé de l’espacement entre les cônes. Le modèle 50% (mRGC ON ou OFF) prédit également l’acuité visuelle dans le méridien vertical (inférieur) à 4° et 6° d'excentricité. Le long du méridien nasal, le modèle 50% sous-estime l’acuité visuelle. Un chevauchement partiel des champs récepteurs des mRGC ON + OFF pourrait en être la cause. Nous avons ensuite mesuré la densité des cônes dans les 48° centraux le long du méridien horizontal dans deux groupes, l’un présentant une histoire d’évolution myopique (i.e. allongement de l'oeil) et l'autre non. À ce jour, il n'existe qu’une seule étude ayant des mesures in-vivo de la densité des cônes au delà des 15° centraux. Cette étude nous a également permis d'affirmer que lors de l'évolution myopique, la rétine s’étirerait de manière uniforme dans la zone mesurée, excepté proche de la tête du nerf optique, où il semblerait qu'il y ait une adhérence plus forte. / The high-resolved imagery delivered by the adaptive optic is used to form pictures of the retina at the cellular level and to diagnose and follow up on eyes pathologies, but also to improve knowledge of the anatomy, functions and mechanisms of the retina.First we defined the method that allows us to position the center of the fovea and to measure the density of the cones with the best repeatability. The center of the ellipse of higher densities makes it possible to position the center of the fovea. The cone density is measured in a region of interest of 80 x 80 pixels to an eccentricity measured on a montage established from pictures made every 2°.One of the fundamental aspects of this project is the creation of a normative clinical database linked to bio-markers (density, spacing and morphology of cones). Indeed it is necessary to provide quantitative measures of the structures visualized. This study made it possible to characterize the retinal structure of a healthy population with no retinal disease, so as to establish a reference of normality. This study also allowed us to answer questions left unanswered by the literature. The density of the cones differs sharply between the horizontal and vertical meridians. We have also observed that the axial length influences cone density expressed in metric unit but not in terms of visual angle, supporting the hypothesis that the retina is stretched with the lengthening of the eyeball. Finally, age does not seem to have an impact on cone density except at 2°.We then examined the relationship between peripheral visual acuity and cone spacing. It is known that midget ganglion cells are in charge of visual resolution. But, at the fovea, each cone connects, via bipolar cells, to a midget ganglion cell ON and OFF. This anatomical particularity makes the measurement of the cone spacing an observable substitute for ganglion cells thus allowing the link with visual acuity. We have therefore determined to what eccentricity the cones are no longer an observable substitute for ganglion cells. We found that visual acuity is governed by the arrangement of cones up to 2° of eccentricity, both in nasal and inferior retinas, supporting the idea that only 50% of foveal mRGCs determine VA (mRGC ON or OFF). Beyond this, cone spacing over-samples ganglion cells. Watson developed a model to predict visual acuity based on the mRGC spacing, itself derived from the cone spacing. The 50% model (mRGC ON or OFF) also predicts visual acuity in the inferior meridian at 4° and 6° of eccentricity. Along the nasal meridian, the 50% model underestimates visual acuity. Partial overlap of the mRGC ON + OFF receptive fields may be the cause.Finally, we measured the cone density in the central 48° along the horizontal meridian in two study groups, one with a history of myopic evolution (i.e. elongation of the eye) and the other without. To this date, there is only one study with in-vivo measurements of cone density beyond the central 15°. This study also allowed us to assert that during myopic evolution, the retina stretches uniformly in the measured area, excepted near the optic nerve head, where it appears that there is a stronger adhesion.

Chez les vertébrés, la perception de la lumière est possible grâce à la transformation de l'énergie des photons en un signal électrochimique dans les photorécepteurs. La photo-isomérisation du chromophore RAL-11-cis en RAL-tout-trans déclenche une cascade d'événements de transduction du signal et conduit à la perte de la sensibilité à la lumière des photorécepteurs, un processus de recyclage du chromophore visuel entre alors en jeu afin de rétablir cette sensibilité, c'est le cycle visuel de rétinoïdes. Le cycle visuel s'effectue dans les photorécepteurs et l'épithélium pigmentaire rétinien et fait intervenir plusieurs protéines. L'étape limitante de ce cycle est catalysée par la protéine spécifique de l'EPR RPE65. Mieux comprendre la régulation de cette étape permettra d'ouvrir des pistes thérapeutiques pour différentes pathologies liées l'activité du cycle visuel. Notre laboratoire a montré que FATP1, une protéine du métabolisme lipidique, inhibe l'activité de RPE65 in vitro. Dans ce travail, nous avons évalué l'effet de l'absence de FATP1 sur l'activité du cycle visuel et la fonction visuelle dans un modèle murin. La souris ko FATP1 est caractérisée par une baisse des amplitudes des ondes a et b de l'ERG, un retard de régénérescence de l'ERG et d'accumulation de rétinylesters après éblouissement. La formation du RAL-11-cis reste comparable à celle des souris sauvages. Les souris FATP-/- montrent une plus grande susceptibilité aux effets du vieillissement : des anomalies de structure ont été observées au niveau des photorécepteurs, de la membrane de Brüch et de la choroïde, sans accumulation excessive de lipides ou de lipofuscine ni de dégénérescence rétinienne. La perturbation de la fonction visuelle observé en l'absence de FATP1 chez la souris pourrait avoir un effet plus accru chez l'homme qui vie plus longtemps et dont la rétine reçoit plus de lumière. En conclusion, FATP1 pourrait être une composante importante pour le vieillissement de la rétine chez l'homme. / In vertebrates, perception of light is made possible through the conversion of photon energy into an electrochemical signal in photoreceptors. The photo-isomerization of the chromophore 11-cis-RAL into all-trans-RAL triggers a cascade of signal transduction and leads to loss of light sensitivity of photoreceptors, thus, a recycling process of chromophore called the rétinal visual cycle is involved to restore this sensitivity. The visual cycle takes place in the photoreceptors and retinal pigment epithelium and involves several proteins. The limiting step of this cycle is catalyzed by RPE-specific protein RPE65. Better understanding the regulation of this step might open up new ways for treatment of various pathologies related to the visual cycle activity. Our laboratory has shown that FATP1, a protein involved in lipid metabolism, inhibits the activity of RPE65 in vitro. In this study, we evaluated the effect of the lack of FATP1 on the activity of the visual cycle and visual function in a mouse model. FATP1 ko mice are characterized by lower a and b amplitudes of the elctroretinogram, delayed ERG and retinylesters accumulation recovery after bleache. 11-cis-RAL synthesis rates are similar to those of wt mice. FATP1 ko mice show a greater susceptibility to the aging effects: structural abnormalities were observed in the photoreceptors, Bruch's membrane and choroid without excessive accumulation of lipid or lipofuscin or retinal degeneration. The disturbance of visual function which accopagne the lack of FATP1 in mice could have a more increased effect in human who live longer and wich the retina receives more light. In conclusion, FATP1 might be an important component for the aging of the retina in humans.

La vue et l'ouïe font intervenir des cellules capables de rapidement traduire une onde, lumineuse ou sonore, en un message électrochimique transmissible au cerveau. La fonction de ces cellules sensitives repose sur leurs morphologies uniques. Les mutations de onze gènes sont la cause des syndromes Usher, associant cécité et surdité. Les protéines Usher sont indispensables à l'architecture de ces deux types cellulaires ; elles forment des complexes dont les interactions clés sont maintenues principalement par des domaines PDZ. L'une des protéines centrales de ce réseau est la Whirline, une protéine multi-domaine contenant trois domaines PDZ. Pour comprendre les bases moléculaires des syndromes Usher, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation biochimique et biophysique de la Whirline. Nous avons identifié un nouveau domaine HHD2 de la Whirline dont nous avons obtenue la structure à haute résolution et déterminé le comportement en solution, isolé et avec les domaines adjacents. Nous avons ensuite caractérisé un supramodule transitoire entre deux domaines PDZ, maintenu par des extensions structurées de chacun des domaines. Nous avons résolu la structure de la conformation compacte unique de ce complexe et étudié son équilibre avec un ensemble de conformations étendues. Nous avons enfin caractérisé in vitro le réseau d'interaction des domaines PDZ de la Whirline avec les protéines Usher. L'ensemble de nos résultats sur la structure modulaire et l'interactome de la Whirline permet de mieux comprendre le rôle de la Whirline dans les différents complexes Usher et d'expliquer les conséquences de ses mutations sur les mécanismes moléculaires de l'audition et de la vision. / Vision and hearing rely on the capacity of cells to rapidly transduce electromagnetic waves or sound waves into chemical messages that are transmissible to the brain. The function of these sensory cells requires unique morphologies. The mutations of eleven genes are responsible for Usher syndromes, associating blindness and deafness. The Usher proteins are pivotal to the architecture of the photoreceptor and hearing cells. They form complexes in which the critical interactions are mainly maintained by PDZ domains. One of these central proteins is Whirlin, a multi-domain protein encompassing three PDZ domains. To understand the molecular basis of the Usher syndromes, we focused our project on the biochemical and biophysical characterization of Whirlin. We identified a new HHD2 domain on Whirlin, for which we solved the structure at high resolution and determined the behavior in solution, isolated or with adjacent domains. We then identified a transient supramodule between two PDZ domains, maintained by PDZ structured extensions. We determined the structure of the compact and unique conformation of this tandem and we characterized its equilibrium with an ensemble of more extended conformations. Finally, we characterized in vitro the network of interaction of the PDZ domains of Whirlin, with the majority of the Usher proteins. Our results on the modular structure and the interactome of Whirlin get insight into the role of Whirlin in the numerous complexes formed by the Usher proteins and allow to better explain the consequences of its mutation on the molecular mechanisms of hearing and vision.

Notre objectif a été d'analyser l'influence de la variabilité spatio-temporelle de la réflectance des cônes sur le comptage des cônes par imagerie à haute résolution par optique adaptative plein champ, et de proposer des méthodes pour pallier ces difficultés. La première partie des travaux porte sur l'étude de la variabilité temporelle des cônes. Nous avons confirmé la présence d'un phénomène de scintillement des cônes à une fréquence au moins égale à celle de notre système d'acquisition. Nous avons proposé une procédure d'analyse d'images incluant restauration par déconvolution myope, recalage rigide, fusion d'images pour la construction de cartographies de cônes. Nous avons montré que dans le cas des sujets sains, la procédure de fusion d'image permet de rapprocher la mesure de la densité des cônes des références histologiques. La directionalité de la réflectance des cônes est appelée effet Stiles-Crawford optique. Nous en avons identifié une nouvelle manifestation clinique, à travers une étude portant sur l'analyse d'images d'optique adaptative en périphérie de la rétine. Nous avons montré, à travers l'alternance des mosaïques positive/négative, que la réflectance des cônes peut devenir inférieure à celle des bâtonnets. La comparaison avec les données de la tomographie de cohérence optique a montré une forte corrélation de cette commutation avec la couche des segments externes des cônes. Nous avons proposé une procédure d'intégration de la variabilité spatiale pour la construction des cartographies. Cette procédure a été évaluée sur des sujets sains et pathologiques et a montré un gain significatif (en termes de dénombrement des cônes) chez les cas pathologiques. / Our objective was to analyze the importance of spatial and temporal variability of the reflectance of cones in counting for adaptive optics high resolution imaging, and propose ways to overcome these difficulties.The first part of the work focuses on the study of the temporal variability of cones. We confirmed the presence of a scintillation phenomenon at a frequency at least equal to that of our acquisition system. We have proposed an image analysis process including restoration by deconvolution, rigid registration, and image fusion for cone mapping. To validate this approach, we conducted a validation test for two deconvolution methods. We have shown that in the case of healthy subjects, the image fusion procedure to bring the measurement of cone density and histological references. The angular variation of cone reflectance is called optical Stiles-Crawford effect. We have identified a new clinical manifestation of this phenomenon, through a study on the analysis of adaptive optics images periphery). We have shown, through the alternation of the positive / negative mosaics, that the reflectance of the cones may become lower than that of rods. Comparison with the data of the optical coherence tomography showed a strong correlation of the switching with the outer segment layer. We then proposed a procedure of integration of spatial variability for cone mapping. This procedure was evaluated in healthy and diseased subjects and showed a significant gain (in terms of cone enumeration) in pathological cases.

Les photorécepteurs sont des neurones très spécifiques dédiés à la phototransduction et reposant sur une machinerie cellulaire très complexe. La dépolarisation permanente dans le noir des photorécepteurs déclenche une transmission synaptique constante et extrêmement spécifique qui requièrent une quantité d'énergie considérable. Les photorécepteurs peuvent dégénérer lorsque la phototransduction ou l'apport énergétique sont altérés. Le syndrome d'Usher conduit à une surdité et une cécité. La recherche du rôle des protéines usher dans les photorécepteurs a été freinée par l'absence de phénotype rétinien dans les modèles. De la même façon, la compréhension des mécanismes moléculaires conduisant à l'atteinte des cônes dans la rétinopathie diabétique a été entravée par l'absence de symptômes vasculaires et neuronaux dans les modèles. Durant ma thèse, j'ai caractérisé deux modèles animaux des syndromes Usher et HANAC. Des atteintes neuronales ont été démontrées par électrorétinogramme et par l'observation de changements morphologiques des cellules. Dans les modèles Usher, j'ai également montré une neuroprotection des photorécepteurs par plusieurs stratégies. Dans le modèle HANAC, les atteintes neuronales étaient associées à une tortuosité vasculaire anormale une augmentation de la perméabilité vasculaire et l'expression accrue de VEGF. Les évaluations phénotypiques de ces trois modèles fournissent un nouvel aperçu de la physiopathologie des dégénérescences des cônes dans le syndrome d'Usher et dans les maladies vasculaires complexes. Ce travail ouvre surtout la voie au développement et à l'évaluation de nouvelles stratégies thérapeutiques pour ces maladies menant à la cécité. / Photoreceptors are very specific neurons dedicated to phototransduction, which relies on very complex machinery. The maintained depolarization in darkness triggers a constant and thus very specific type of synaptic transmission. These require high energy need. As a consequence, photoreceptors can degenerate in various hereditary retinal diseases when phototransduction or energy consumption are altered. The Usher syndrome is such a hereditary disease leading to both deafness and blindness. If Usher proteins are involved in the mechanotransduction in hair cells, investigating their role in photoreceptors has been hamperedby the lack of a retinal phenotype in murine models. Similarly, understanding themolecular mechanisms of cone dysfunction in diabetic retinopathy has beenhampered by the lack of vascular and neuronal symptoms and neuronal models. During my PhD, I have developed animal models of Usher and HANAC syndromes both leading to cone photoreceptor dysfunction and damage. Cone dysfunction was demonstrated by electroretinogram recording and by morphological changes, retinal gliosis and microglial activation. In the Usher models, I also demonstrated photoreceptor neuroprotection by different strategies. In the HANAC model, neuronal dysfunction was associated as in diabetic retinopathy to blood vessel tortuosity, blood vessel permeability and incresead VEGF expression levels. These phenotypic evaluations of mouse models provide new insights into the physiopathology of cone photoreceptor degeneration in Usher syndrome and in complex vascular diseases. It also open the way for the development and assessment of new therapeutic strategies for these diseases leading to blindness.

L’ataxie spinocérébelleuse de type 7 (SCA7) est une maladie neurodégénérative à transmission autosomale dominante, causée par une expansion toxique de polyglutamine (polyQ) dans la protéine Ataxine-7. Elle se caractérise par une dégénérescence des photorécepteurs en cônes et en bâtonnets, ainsi que des cellules cérébelleuses de Purkinje et granuleuses. La nature sélective de cette dégénérescence reste peu claire, l’expression d’Ataxine-7 étant ubiquitaire. Dans ce contexte, nous avons exploré la fonction de l’orthologue d’Ataxine-7 chez le poisson-zèbre au cours du développement de l’œil. L’inactivation d’atxn7 chez le poisson-zèbre – par des approches utilisant des oligonucléotides anti-sens ou par CRISPR/Cas9 – résulte principalement en un colobome, malformation structurelle de l’œil causée par un défaut de fermeture de la fissure choroïde. Les morphants atxn7 présentent une altération du motif proximo-distal de la vésicule optique causée par une élévation de la signalisation Hedgehog (Hh). Une étude minutieuse des photorécepteurs révèle un défaut de la morphogénèse des segments externes. La sensibilité de l’œil aux variations de fonction d’atxn7 pourrait expliquer la phyiopathologie SCA7. Notre étude suggère également qu’une perte de fonction d’atxn7 contribuerait au développement du colobome chez l’Homme. / Spinocerebellar ataxia type 7 (SCA7) is an autosomal-dominant neurodegenerative disorder caused by a toxic polyglutamine (polyQ) expansion in Ataxin-7 which leads to degeneration of cone and rod photoreceptors. The selective nature of degeneration remains unclear since Ataxin-7 is ubiquitously expressed. Here, we have explored the function of the Ataxin-7 ortholog in zebrafish during eye development. Inactivation of atxn7 in zebrafish primarily resulted in a coloboma defect, a structural malformation of the eye caused by failure of the choroid fissure to close. atxn7 morphants displayed altered proximo-distal patterning of the optic vesicle, caused by elevated Hedgehog (Hh) signaling. Careful examination of the photoreceptors reveals a defect in the morphogenesis of the outer segments. The eye sensitivity to variations in atxn7 function could account for SCA7 physiopathology. Our study also suggests that atxn7 loss of function may contribute to the development of human coloboma.

Les rétinites pigmentaires (RP) sont des pathologies rétiniennes cécitantes d'origine génétique caractérisées par une perte des photorécepteurs. Nous avons ciblé des formes de RP autosomique dominante consécutives à des mutations dans le gène du pigment visuel de la RHODOPSINE, du facteur d'épissage PRPF31 et du facteur de transcription impliqué dans le développement des photorécepteurs NR2E3. Les fibroblastes, issus de biopsies de peau de patients, ont été reprogrammés en cellules iPS par une technique dite non intégrative. Après stabilisation des cellules iPS, nous avons vérifié leur propriété de pluripotence et l'absence d'anomalies caryotypiques.Les cellules iPS porteuses d'une mutation sur le gène RHODOPSINE ont été différenciées dans le lignage des photorécepteurs. Nos résultats montrent que les photorécepteurs porteurs de la mutation P347L du le gène RHODOPSINE récapitulent la dégénérescence observée chez les patients.Nous montrons que les cellules de l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) dérivées de cellules iPS porteuses de la mutation Cys294X du gène PRPF31 présentent des problèmes d'adhésion cellulaire due à l'absence de lame basale. Leur activité de phagocytose est alors perturbée, suggérant qu'un dysfonctionnement de l'EPR pourrait être à la base de la RP causée par la mutation Cys294X du gène PRPF31. Les modèles développés nous ont permis de mieux comprendre les processus à la base de la pathogénèse de certaines RP. Ces modèles associés à des protocoles de criblage, pourraient permettre d'évaluer l'efficacité et la toxicité de nouvelles molécules pharmacologiques, mais également être utilisés pour valider des approches de thérapie génique. / Retinitis pigmentosa (RP) is an inherited retinal diseases characterized by a loss of photoreceptors. We focused specific forms of autosomal dominant RP with mutations in the rod visual pigment RHODOPSIN, the ubiquitous splicing factor PRPF31 and the transcription factor involved in the development of photoreceptors NR2E3. Fibroblasts from skin biopsies of patients were reprogrammed into iPS cells by a non-integrative approach. After stabilization of iPS cell lines, we verified their pluripotency property and the absence of karyotype abnormalities. Based on the retinal differentiation protocol, iPS cells carrying a mutation in the RHODOPSIN gene have been differentiated in the photoreceptor lineage. Our results showed that the photoreceptors expressing the mutated form of RHODOPSIN summarizing the process of degeneration observed in RP patients. We show that retinal pigment epithelium (RPE) cells derived from iPS cells carrying a mutation in the PRPF31 gene lack basal membranes and have cell adhesion disorders. Consequently, their phagocytic activity is disturbed, suggesting that a malfunction of the RPE could be the primary step of the development of RP caused by mutation Cys294X in the PRPF31 gene. The models developed from specific-patient iPS cells have enabled us to better understand the processes underlying the pathogenesis of some RP. These models associated with screening protocols could be used to evaluate the efficacy and toxicity of new pharmacologic compounds but also used to validate new gene therapy approaches.

Les modifications post-traductionnelles (MPTs) permettent un haut degré de régulation de l'expression des gènes en générant une diversité fonctionnelle au niveau du protéome. Dans le système nerveux, les MPTs régulent entre autres des facteurs de transcription permettant une adaptation rapide à un microenvironnement dynamique. Dans ce contexte, je me suis concentrée sur l’étude des Glycogène Synthase Kinases 3 (GSK3s). Elles sont au centre de la régulation de nombreuses voies de signalisation et contrôlent la stabilité de multiples cibles par phosphorylation. Au cours du développement du cerveau, les kinases GSK3 contrôlent la balance entre la prolifération et la différenciation. La dérégulation de l'activité des kinases GSK3 a un rôle clé dans les maladies neurodégénératives du cerveau. En revanche, le rôle important de ces kinases au cours du développement rétinien ainsi que dans les maladies neurodégénératives rétiniennes reste une question ouverte.L'objectif de ma thèse était d'étudier le rôle de ces kinases au cours du développement et de l'homéostasie rétinienne. J’ai montré que l'absence totale de Gsk3α et de Gsk3β très tôt au cours du développement rétinien entraîne une microphtalmie chez l'adulte. Les deux kinases jouent des rôles redondants puisque l'expression d'un seul allèle Gsk3 est suffisante pour prévenir le phénotype de microphtalmie. Cependant, une analyse phénotypique approfondie dans ce contexte génétique (un seul allèle Gsk3) a révélé une forte augmentation du nombre de cellules ganglionnaires déplacées (dRGCs) dans la couche nucléaire interne, associée à une modification des projections axonales des cellules ganglionnaires dans le cerveau par rapport aux contrôles. Dans l’ensemble, ces données suggèrent que les kinases GSK3s sont essentielles au maintien des progéniteurs rétiniens et sont impliquées dans la genèse des dRGCs. Compte tenu du très faible nombre de dRGCs en conditions normales, la fonction de ces cellules a été très peu étudiée à ce jour. Le modèle génétique que j’ai développé offre par conséquent un modèle de choix pour étudier l’ontogenèse et la fonction de ces cellules.Mes travaux de thèse se sont ensuite concentrés sur le rôle de GSK3 dans les photorécepteurs. En effet, des défauts de développement ou leur mort est l’une des principales causes de dégénérescence rétiniennes. Afin de mieux comprendre la fonction de ces kinases dans la maintenance des photorécepteurs, j'ai donc utilisé des souris invalidées de manière conditionnelle pour Gsk3α et Gsk3β spécifiquement dans les précurseurs des photorécepteurs. L’absence de GSK3 conduit à une altération de la maturation et de la fonction des photorécepteurs, suivie de leur dégénérescence. J’ai alors combiné des analyses transcriptomiques et des approches in vitro pour élucider les mécanismes sous-jacents. Mes données m’ont conduit à proposer un modèle selon lequel l’absence de GSK3 dans les photorécepteurs conduit à des défauts de phosphorylation de NRL (facteur de transcription nécessaire au développement des photorécepteurs de type bâtonnet), augmentant sa stabilité. Cette dérégulation post-traductionnelle conduit à la diminution d’expression d'un sous-ensemble de gènes cibles de NRL, co-régulés par CRX, et impliqués dans le développement et l'homéostasie des photorécepteurs. Cette dérégulation conduirait alors à la dégénérescence des photorécepteurs observée dans les mutants GSK3. Ce travail suggère donc que GSK3 joue un rôle essentiel dans la régulation de NRL pour contrôler la maturation et l'homéostasie des photorécepteurs. De telles données suggèrent également que ce mécanisme de régulation pourrait être déficient chez les patients atteints de rétinites pigmentaires dues à des mutations de NRL empêchant sa phosphorylation par GSK3. / Post-translational modifications (PTMs) allow a higher degree of regulation for the control of gene expression by generating functional diversity at the proteome level. In the central nervous system, PTMs regulate stability or activity of transcription factors allowing a rapid response to external signals and a quick adaptation to a dynamic cellular microenvironment. In this context, I focused on the ubiquitously expressed and highly conserved Glycogen Synthase Kinases 3 (GSK3s). They are at the crossroad of multifunctional signalling pathways. During mammalian brain development, GSK3 kinases control the balance between proliferation and differentiation. Deregulation of GSK3 kinases activity has also a key role in neurodegenerative diseases by causing the accumulation/aggregations of proteins causing neuronal cell death. Drugs targeting GSK3s hold a lot of promises to treat such diseases. Whether these kinases are also important during retinal development and involved in retinal diseases remains an open question. Several studies suggest the importance of regulating GSK3 function in photoreceptor under pathological conditions. Therefore, the main objective of my PhD was to investigate the role of these kinases during photoreceptor development and homeostasis. To better understand the role of these two kinases during retinal development and to highlight potential differences with the developing brain, we also investigated their function in the control of the balance between proliferation and differentiation of retinal progenitors. To achieve my work, I used conditional knockout mice for Gsk3α and Gsk3β specifically deleted either in photoreceptor precursors or in retinal progenitors during early development. The lack of GSK3 kinases in photoreceptor precursors led to impaired photoreceptor maturation and function followed by their degeneration. Transcriptomic analysis (RNAseq) 6, 10 and 14 days postnatally prior degeneration revealed several genes downregulated belonging to biological processes involved in eye development and visual functions. Among them, the expression of the transcription factor Nrl that is required for rod photoreceptor development was decreased. Astonishingly, NRL expression was highly increased at protein level. By in vitro approaches, I demonstrated that GSK3-dependent phosphorylation regulates NRL protein stability. Despite such increase, a large number of NRL target genes were downregulated leading to impaired photoreceptor maturation and function. Surprisingly, a vast majority of these downregulated genes were also target genes for CRX, another transcription factor working in synergy with NRL. This work demonstrates that PTMs of NRL play a critical role in fine tuning the expression of a subset of genes involved photoreceptor development and homeostasis. Such findings could allow the development of innovative therapeutic strategies for retinal dystrophies. The functional characterisation of GSK3 in the course of retinal development by invalidating both Gsk3α and Gsk3β in retinal progenitors early during development revealed their requirement for controlling cell cycle exit and neuronal differentiation. Indeed, the complete lack of Gsk3α and Gsk3β led to microphtalmia in adults. Interestingly, the expression of only one Gsk3 allele was enough to rescue the phenotype. However, further analysis revealed a large number of displaced ganglion cells in the inner nuclear layer. The function of these cells remains to be determined, but their timing of production corresponds to other ganglion cells. Strikingly, these displaced ganglion cells project in distinct brain regions than normal ganglion cells. Therefore, our work could provide the first step toward determining the function of the displaced ganglion cells, which appear at low number in wildtype but whose function remains to be clarified.