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

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

L’adaptation cellulaire au stress dépend en partie de changements dans l’expression de gènes de réponse au stress, souvent accompagnés par des modifications dans la structure chromatinienne. Des facteurs chromatiniens pourraient être à l’origine de ces modifications mais leurs mécanismes d’action restent mal connus au cours du développement. La réponse aux protéines malconformées (UPR) est une réponse à des conditions de stress physiologique qui ciblent le réticulum endoplasmique (RE) ; l’UPR a été impliquée dans de nombreuses maladies humaines incluant le cancer et différents composants de cette réponse pourraient être de potentielles cibles pharmaceutiques. Nous avons démontré que HPL-2, l’homologue de la protéine HP1 chez Caenorhabditis elegans, est nécessaire pour la réponse au stress du RE. L’inactivation d’HPL-2 montre une résistance accrue au stress du RE qui dépend d’une part de la voie XBP-1 de l’UPR et d’autre part d’un flux autophagique augmenté. La résistance accrue des vers dépourvu d’HPL-2 est associée avec une augmentation de l’activation d’XBP-1 et de chaperonnes du RE en conditions physiologiques. L’expression d’HPL-2 est ubiquitaire et nous avons déterminé qu’HPL-2 joue un rôle antagoniste dans les cellules neuronales et intestinales pour influencer la réponse au stress du RE. Nous avons également montré qu’une modulation de l’état de la chromatine par une inhibition chimique d’histones déacétylases donnait le même phénotype que l’absence d’HPL-2. De plus, l’augmentation ou la diminution de la méthylation de la lysine 4 de l’histone 3 (H3K4me) joue également un rôle dans la réponse au stress du RE. Ces travaux contribuent ainsi à une meilleure compréhension du lien entre l’UPR, le stress du RE et la structure chromatinienne aussi bien dans un processus normal que dans certaines pathologies. / Cellular adaptation to environmental changes and stress relies on a wide range of regulatory mechanisms which are tightly controlled at several levels, including transcription. Chromatin structure and chromatin binding proteins are important factors contributing to the transcriptional response to stress. However, it remains largely unknown to what extent specific chromatin factors influence these distinct responses in a developmental context. One of the best characterized stress response pathways is the unfolded protein response (UPR), which is activated by accumulation of misfolded proteins in the endoplasmic reticulum (ER). Here, we show that Caenorhabditis elegans HPL-2, the homologue of the HP1 chromatin associated protein, is required for the ER stress response. Inactivation of HPL-2 results in enhanced resistance to ER stress dependent on the XBP-1 branch of the UPR and the closely related process of autophagy. Increased resistance to ER stress in animals lacking HPL-2 is associated with increased basal levels of XBP-1 activation and ER chaperones under physiological conditions. Using tissue specific rescue experiments, we find that HPL-2 plays antagonistic roles in intestinal and neuronal cells to influence the ER stress response. We further show that chemical inhibition of histone deacetylase activity mimics the HPL-2 loss of function phenotype, and that increasing or decreasing histone H3 lysine 4 methylation (H3K4me) has antagonistic effects on animal survival in response to ER stress. Altogether our results point to an important function for specific chromatin factors and chromatin modifications in maintaining ER homeostasis in a developmental context.

Au cours du couplage excitation-contraction (CEC) cardiaque, une partie du calcium (Ca2+) libéré par le réticulum sarcoplasmique (RS) via les récepteurs de la ryanodine de type (RyR2) est captée par la mitochondrie. Une fois dans la matrice mitochondriale, le Ca2+ module l’activité de plusieurs enzymes du métabolisme oxydatif ainsi que la production d’ATP. Une altération de la libération de Ca2+ du RS et une dysfonction mitochondriale ont été décrites dans plusieurs pathologies cardiovasculaires associées à des troubles métaboliques comme la cardiomyopathie diabétique (CMD). Cependant, les mécanismes qui sous-tendent le remodelage du métabolisme et de l’homéostasie calcique au stade précoce de la CMD demeurent méconnus. Afin de déterminer dans quelle mesure la dynamique calcique et le couplage excitation métabolisme oxydatif sont altérés au stade précoce de la CMD, des souris C57Bl/6 ont été soumises à un régime enrichi en graisses et en sucres (HFS) pendant deux semaines. Au terme du régime, les souris HFS présentent un hyperinsulinisme, une euglycémie et une dyslipidémie. En plus de ce statut pré-diabétique, le flux mitral (E/A) évalué par échocardiographie, est significativement diminué chez les animaux HFS par rapport aux animaux Ctrl, suggérant une dysfonction diastolique précoce du ventricule gauche. A l’échelle du cardiomyocyte, une diminution du raccourcissement cellulaire sans modification de l’amplitude des transitoires calciques induits par stimulation électrique est responsable d’une diminution de l’efficacité du CEC en condition HFS. De plus, l’entrée dynamique de Ca2+ dans la mitochondrie, évaluée à l’aide de la technique de patch-clamp en configuration cellule entière, est également significativement diminuée. Bien que l’expression du canal anionique dépendant du voltage (VDAC) et de l’unipore calcique (MCU) demeure inchangée, l’expression de la protéine MICU1 augmente. Cette altération de l’entrée de Ca2+ dans la mitochondrie est responsable d’une diminution de l’activité de la pyruvate déshydrogénase via sa phosphorylation sur le résidu ser232, réduisant ainsi l’utilisation des glucides comme substrats énergétiques. Enfin, bien que les paramètres de base de l’ECG soient comparables entre les deux groupes, les souris HFS déclenchent spontanément des troubles du rythme et présentent une altération de la modulation de la fonction cardiaque par le système nerveux autonome.Ces travaux suggèrent que MICU1, en modulant l’homéostatisie calcique, le couplage excitation-métabolisme oxydatif et la flexibilité métabolique, pourrait jouer un rôle de senseur métabolique au sein des cardiomyocytes initiant ainsi la cardiomyopathie diabétique. / During cardiac excitation-contraction coupling (ECC) a fraction of the calcium (Ca2+) released by the sarcoplasmic reticulum (SR) through type 2 Ryanodine Receptor (RyR2) is taken up by mitochondria. Once in the matrix, Ca2+ modulates several enzymes of oxidative metabolism and ATP production. SR Ca2+ release alteration and mitochondrial dysfunction have been reported in several cardiovascular diseases associated with metabolic disorders such as diabetic cardiomyopathy (DCM). However, the mechanisms that govern the metabolic remodeling and Ca2+ handling at the early stage of DCM are currently unknown. To determine whether mitochondrial Ca2+ dynamics and excitation oxidative metabolism coupling are affected at the early stage of DCM, C57Bl/6 mice were fed a standard or high fat sucrose (HFS) diet for two weeks. At the end of the diet, HFS mice display hyperinsulinemia, euglycemia and dyslipidemia. In addition to this prediabetic state, the transmitral inflow (E/A), assessed by echocardiography, is significantly reduced in HFS mice compared to their control (Ctrl) littermates suggesting an early left ventricle diastolic dysfunction. At the single cardiomyocyte level, a decrease in peak cell shortening without any change regarding the amplitude of electrically evoked Ca2+ transients leads to reduced ECC efficiency under HFS conditions. Moreover, dynamic mitochondrial Ca2+ uptake measured using the whole cell patch-clamp technique is significantly decreased. While the expression of voltage-dependent anionic channel (VDAC) and mitochondrial uniporter (MCU) is unchanged, expression of mitochondrial Ca2+ uptake protein 1 (MICU1) increases. Impaired mitochondrial Ca2+ uptake leads to reduced pyruvate dehydrogenase activity through the phosphorylation of ser232, thus decreasing the use of carbohydrates as energetic substrate. Finally, although ECG basal parameters are comparable between the two groups, HFS mice trigger spontaneous arrhythmia and impaired autonomic modulation of cardiovascular function.This study suggests that MICU1 could act as a metabolic sensor by modulating mitochondrial Ca2+ handling, excitation–oxidative metabolic coupling and the metabolic flexibility paving the way to the DCM.

STARD3 est une protéine endosomale de la famille START (Steroidogenic Acute Regulatory (StAR) Related lipid Transfer), qui lie le cholestérol. STARD3 module l’organisation de la cellule en formant des sites de contact membranaire entre les endosomes et le réticulum endoplasmique (RE). Le lien entre les sites de contact membranaire et le transport du cholestérol n’était pas compris. Dans ce travail, nous montrons que STARD3 en interagissant avec les protéines VAPs (VAMP–Associated Proteins) bâtit une machine moléculaire autonome qui transporte le cholestérol au niveau des contacts RE–endosomes. Ce transport permet la formation de membranes internes dans les endosomes et est potentiellement impliqué dans le fonctionnement de ces organites. De plus, nous avons étudié la fonction de STARD3 dans la maladie Niemann Pick type C, qui est caractérisée par une anomalie du transport de cholestérol dans les endosomes. / STARD3 is an endosomal sterol-binding protein which belongs to the START protein family. Remarkably, STARD3 modulates the cellular organization by creating membrane contact sites between the endoplasmic reticulum (ER) and endosomes. The link between ER-endosome contact sites and cholesterol transport was not understood. In this work, we showed that STARD3 and its ER–resident partner, VAMP–associated protein (VAP), assemble into a machine that allows a highly efficient transport of cholesterol within ER–endosome contacts. This cholesterol transport provides building blocks for endosome inner membranes formation, and is probably involved in endosome dynamics. Furthermore, we studied STARD3 function in Niemann Pick type C disease, a condition characterized by an impairment of endosomal cholesterol export.

Au sein du muscle squelettique, le réticulum sarcoplasmique occupe une place essentielle dans la régulation de l’homéostasie calcique et de la contraction musculaire. En particulier, le transporteur calcique SERCA, situé à la membrane du réticulum endoplasmique permet de reconstituer le contenu calcique réticulaire suite à une contraction musculaire. Dans le muscle squelettique, l’activité de SERCA est contrôlée par un peptide inhibiteur spécifique appelé la myoréguline. Nous nous intéressons au rôle du récepteur nucléaire Rev-erb-α, un répresseur de transcription connu pour favoriser la fonction musculaire et dont l’activité peut être modulée par des ligands pharmacologiques. Nos résultats montrent que Rev-erb-α réprime l’expression de la myoréguline en se fixant sur son promoteur, ce qui a pour conséquence l’augmentation de l’activité de SERCA et la hausse du contenu calcique réticulaire. Un traitement avec un agoniste de Rev-erb-α, le SR9009, améliore l’homéostasie calcique et la contractilité musculaire de souris mdx/utr+/-, un modèle de la myopathie de Duchenne. Par ailleurs, le réticulum endoplasmique est le siège de la conformation des protéines de la voie sécrétoire. Des altérations de la conformation protéique provoquent un stress réticulaire et le déclenchement de la réponse aux protéines mal-conformées qui peut conduire jusqu’à l’apoptose. Il est décrit que le stress réticulaire est un phénomène impliqué dans l’activation de la cellule satellite musculaire suite à une blessure. Nous avons établi que Rev-erb-α, en augmentant l’interaction entre le réticulum endoplasmique et la mitochondrie accroit l’activation de la réponse aux protéines mal-conformées et l’apoptose de cellules satellites activées, ce qui pourrait impacter le potentiel de régénération musculaire. En conclusion, nous avons identifié Rev-erb-α comme un modulateur de la fonction du réticulum endoplasmique dans le muscle squelettique. Dans le futur, des thérapies ciblant spécifiquement Rev-erb-α pourraient être développées dans le cadre de pathologies musculaires chez l’Homme. / Within skeletal muscle, the sarcoplasmic reticulum plays an essential role in the regulation of calcium homeostasis and muscle contraction. In particular, the SERCA transporter, located at the membrane of the endoplasmic reticulum, by pumping calcium from cytosol from reticular lumen, allows the reticular calcium content to be reconstituted following muscle contraction. In skeletal muscle, SERCA activity is controlled by a specific inhibitory peptide called myoregulin. We are interested in the role of the nuclear receptor Rev-erb-α, a transcription repressor known to promote muscle function and whose activity can be modulated by pharmacological ligands. Our results show that Rev-erb-α represses the expression of myoregulin by binding to its promoter, which results in an increase in SERCA activity and an increase in reticular calcium content. Treatment with a Rev-erb-α agonist, SR9009, improves calcium homeostasis and muscle contractility in mdx/utr+/- mice, a model of Duchenne myopathy. In addition, the endoplasmic reticulum is the site of protein conformation of the secretory pathway. Alteration in protein conformation causes reticular stress and triggers the unfolded protein response that can lead to apoptosis. It is described that reticular stress is a phenomenon involved in the activation of skeletal muscle satellite cell following an injury. We have established that Rev-erb-α, by increasing the interaction between endoplasmic reticulum and mitochondria enhances the activation of unfolded protein response and apoptosis of activated satellite cells, which could impact the muscle regeneration capacity. In conclusion, we have identified Rev-erb-α as a modulator of endoplasmic reticulum function in skeletal muscle. In the future, specific Rev-erb-α targeting therapies may be developed for human muscle diseases.

Le plasmocyte représente le stade final de la différenciation lymphocytaire B. Il s’agit de la cellule productrice des immunoglobulines (Ig), ce qui en fait l’acteur majeur de la réponse immunitaire humorale. Toutefois, lors d’une prolifération plasmocytaire anormale, l’Ig produite en excès peut devenir pathogène pour l’organisme, s’agréger et conduire à une maladie de dépôt d’Ig monoclonales. Il existe une grande variété de ces maladies de dépôts dont la classification repose sur la nature des dépôts. Nous avons développé dans notre laboratoire un modèle murin pour l’une d’entre elle, la LCDD « Light Chain Deposition Disease », qui reproduit parfaitement les lésions rénales observées chez les patients. Nous montrons grâce à ce modèle qu’en supprimant la production de l’Ig pathogène, nous préservons la fonction rénale de nos souris. Nous montrons aussi grâce à des traitements réalisés avec des inhibiteurs du protéasome (IP) et par l’étude du transcriptome des PCs que ces cellules sont sensibilisées par l’Ig pathogène aux IP via une activation de la voie de réponse au stress du réticulum endoplasmique. Nous nous sommes également intéressés à un patient atteint d’une HCDD « Heavy Chain Deposition disease ». Les études moléculaires et les expériences in-vitro que nous avons réalisées à partir des prélèvements de ce patient nous ont permis de proposer un scénario expliquant la production d’une chaîne lourde tronquée par le clone plasmocytaire : l’apparition d’une mutation au niveau de la chaîne légère aurait conduit à la mutation de la chaîne lourde afin de surmonter un stress du réticulum endoplasmique et ainsi permettre la survie cellulaire. / The plasma cell represents the final stage of B-lymphocytes differentiation. It is the immunoglobulin (Ig) producing cell, making it the major player in the humoral immune response. However, during abnormal plasma cell proliferation, the Ig produced in excess can become pathogenic for the organism, aggregate and lead to a monoclonal Ig deposition disease. There is a wide variety of these deposition diseases whose classification is based on the nature of the deposits. In our laboratory, we have developed a mouse model for one of them, the Light Chain Deposition Disease (LCDD), perfectly reproducing the renal lesions observed in patients. We show by this model that by suppressing the production of the pathogenic Ig the renal function of our mice is preserved. Additionally, thanks to proteasome inhibitors (PI) treatment and plasma cell transcriptome studies, we prove that these cells are sensitized by the pathogen Ig to PI via the activation of the endoplasmic reticulum stress response pathway. We also studied a patient with Heavy Chain Deposition disease (HCDD). The molecular studies and in-vitro experiments carried out with the sample from this patient allowed us to propose a new scenario explaining the production of a truncated heavy chain by the plasma cell clone: the appearance of a mutation at the light chain level would led to the mutation of the heavy chain, in order to overcome the endoplasmic reticulum stress and thus allowing cell survival.

Comme décrit dans la partie But du Travail, les tumeurs gliales sont particulièrement agressives d’un point de vue clinique. Le glioblastome, qui correspond au grade de malignité le plus élevé des gliomes, est associé à un pronostic très sombre car aucun patient atteint de ce cancer n’a pu être guéri à ce jour. Ces tumeurs envahissent de manière diffuse (par essaimage de cellules tumorales isolées) le parenchyme cérébral, ce qui empêche une résection chirurgicale complète de la tumeur. De plus, les cellules tumorales gliales d’origine astrocytaire sont souvent résistantes à l’apoptose et donc aux thérapies adjuvantes telles que la chimiothérapie et la radiothérapie. La galectine-1 est une petite protéine intervenant directement dans les processus migratoires des cellules gliales tumorales. Nous avons donc poursuivi la caractérisation des rôles biologiques que pourrait exercer la galectine-1 au sein des gliomes. Nous avons tout d’abord montré que la galectine-1 est impliquée dans la chimiorésistance des gliomes. En effet, nous avons démontré que la diminution du taux d’expression de la galectine-1, au moyen d’un siRNA au sein d’un modèle de gliome expérimental, permet d’augmenter le bénéfice thérapeutique du témozolomide in vivo sans toutefois induire d’apoptose, d’autophagie ou de perméabilisation de la membrane des lysosomes. Nous avons également montré que la diminution du taux d’expression de la galectine-1 au sein de ce modèle de gliome expérimental affecte les processus d’angiogenèse in vivo et de « vasculogenic mimicry » in vitro. Nous avons identifié la protéine ORP150 comme l’une des principales cibles de l’effet pro-angiogénique de la galectine-1, sachant que la protéine ORP150 contrôle la maturation du facteur VEGF. Nous avons ensuite montré que le rôle de la galectine-1 dans la chimiorésistance des gliomes et dans l’angiogenèse est directement lié à l’implication de la galectine-1 dans le processus de réponse au stress du réticulum endoplasmique. Via ce processus, la galectine-1 modulerait l’expression d’un certain nombre de gènes tels que ATF3, DUSP5 et HERP, qui sont impliqués dans la chimiorésistance et des gènes tels que ORP150 et MDG1 qui sont impliqués dans l’angiogenèse. Enfin, nous avons également montré que la galectine-1 régule l’expression du gène BEX2 et que celui-ci joue un rôle important dans la biologie des gliomes, notamment dans les processus d’angiogenèse et de migration cellulaire. En conclusion, notre travail suggère que l’étiquette « biomarqueur » pourrait être attribuée à la galectine-1 pour qualifier l’agressivité biologique des gliomes malins et que la galectine-1 pourrait représenter une nouvelle cible thérapeutique dans le combat contre les gliomes malins en général, et le glioblastome en particulier.

Lors de l'activation de l'apoptose, une multitude de protéines sont clivées. Parmi celles-ci, on retrouve le récepteur à l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP[indice inférieur 3] R) qui est clivé par la caspase-3 au niveau du domaine de régulation, tout juste avant le domaine du pore calcique. L'IP[indice inférieur 3] R est un récepteur-canal situé à la membrane du réticulum endoplasmique et joue un rôle crucial dans la régulation du Ca[indice supérieur 2+] intracellulaire. Le fragment issu du clivage par la caspase-3 aurait la particularité de créer des canaux calciques constitutivement actifs. La présence de ces canaux provoquerait un débalancement dans l'homéostasie calcique, essentielle à la survie et au maintien de la cellule. En dirigeant l'expression de ce fragment dans des cellules ciblées, tel que les cellules cancéreuses, la perturbation de l'homéostasie calcique pourrait être suffisamment importante pour activer les voies apoptotiques. Nous avons voulu caractériser le débalancement calcique provoqué par le fragment du récepteur à l'IP[indice inférieur 3] (CTR). Pour ce faire, nous avons créé les fragments CTR1 et CTR2, correspondant aux formes de l'IP[indice inférieur 3] R-1 et de l'IP[indice inférieur 3] R-2, respectivement, tronqués au début du domaine canal. Nous avons montré l'expression du CTR1 et du CTR2 au niveau du réticulum endoplasmique ainsi que leur capacité à former des homo- et hétérodimères avec d'autres CTRs et avec les IP [indice inférieur 3] Rs endogènes de la cellule. L'évaluation du contenu calcique du réticulum endoplasmique a révélé que les CTR1 et CTR2 forment des canaux calciques constitutivement actifs, mais que leur impact sur l'homéostasie calcique ne semble pas affecter la cellule. Ces résultats montrent donc que les CTR1 et CTR2 ne sont pas des bons candidats pour moduler les niveaux calciques du réticulum endoplasmique.

Les histones désacétylases (HDACs) contrôlent l'expression des gènes en modifiant la structure de la chromatine par la désacétylation des histones ou en modulant l'activité transcriptionnelle de facteurs de transcription. L'utilisation d'inhibiteurs ciblant les HDACs, les HDACi, a récemment montré un rôle des HDACs dans l'inflammation. Toutefois, comme les HDACi sont non-spécifiques, il est difficile d'identifier les fonctions spécifiques des différents HDACs. Les rôles des HDACs dans l'épithélium intestinal sont peu connus. Les principaux objectifs de ce travail visaient à déterminer les rôles spécifiques de HDAC1 dans les cellules épithéliales intestinales (CEI) et son implication dans la réponse inflammatoire. L'inhibition de l'expression de HDACI dans les CEI de rat, entraîne une augmentation post-transcriptionnelle de HDAC2, une modification de la morphologie cellulaire, une diminution de la prolifération cellulaire, une diminution de l'activité désacétylase associée au complexe corépresseur Sin3 et une modification de la réponse au HDACi trichostatin A (TSA). De plus, en réponse à l'IL-1[beta], la perte de HDACI diminue l'expression protéique des facteurs de transcription NF-?B et C/EBP[beta] tout en entraînant une prolongation de leur phosphorylation. L'absence de HDAC1 diminue également la phosphorylation et l'expression des MAPKs p38 et JNK, de base ou en réponse à l'IL-1[beta]. Ensuite, l'expression de gènes de réponse inflammatoire en réponse à l'IL-1[beta] a été analysée. Suivant la perte de HDACI, cinq patrons d'expression ont ainsi été obtenus : 1) augmentation des niveaux de base et induits (Hp, Kng 1), 2) réduction des niveaux de base et niveaux induits normaux (Cc12, Cc15, Cc120, Cxcll, C3, iNOS), 3) augmentation des niveaux induits (Cxcl2), 4) réduction des niveaux de base et induits (A2m) et 5) aucune modulation (Lcn2, GAPDH). La sécrétion de cytokines est également perturbée en l'absence de HDAC I : 1) diminution des niveaux de base et augmentation des niveaux induits (Cc12, Cxcl3), 2) diminution des niveaux induits (Cc120, Cxcl5, Cx3c11) et 3) augmentation des niveaux induits (Cxcl2, Timpl). HDACI est aussi impliquée dans le contrôle de la réponse au stress du réticulum endoplasmique puisqu'un délai dans l'induction de la protéine CHOP est observé dans les cellules n'exprimant pas HDACI, en réponse à la tunicamycine. Nos résultats démontrent que HDACI est un régulateur majeur de l'homéostasie épithéliale intestinale, incluant la réponse inflammatoire et le stress du réticulum endoplasmique, et que HDAC1 peut agir autant comme coactivateur ou corépresseur transcriptionnel.