Les complications vasculaires rétiniennes constituent des évènements qui peuvent être observés au cours de rétinopathies pouvant être à l’origine d’une cécité à tous les stades de la vie. Ces complications concernent particulièrement la rétinopathie du prématuré, la rétinopathie diabétique et la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Les lipides offrent de nombreuses possibilités pour prévenir et éventuellement freiner le développement de ces rétinopathies. Parmi eux, la classe des plasmalogènes est particulièrement riche en acides gras poly-insaturés (AGPI), qui sont libérés par une phospholipase indépendante du calcium (iPLA2) et qui sont précurseurs de métabolites biologiquement actifs. Certains de ces métabolites sont connus pour être impliqués dans la modulation de l’angiogenèse rétinienne. L’objectif de ce travail de thèse a été d’évaluer l’implication des plasmalogènes dans le développement vasculaire rétinien par l’intermédiaire de la libération des AGPI par la iPLA2. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons caractérisé les évènements cellulaires et moléculaires du développement vasculaire rétinien postnatal chez un modèle animal d’inhibition de la iPLA2 rétinienne que nous avons préalablement développé, ceci de manière comparative avec un modèle de déficience totale en plasmalogènes. Nous avons également tenté de mettre en évidence de potentielles altérations du métabolisme des plasmalogènes chez au cours d’une rétinopathie à composante vasculaire chez l’homme, la rétinopathie diabétique. Nos résultats ont suggéré que les plasmalogènes sont indispensables pour le développement physiologique des vaisseaux rétiniens. Ils seraient impliqués dans le contrôle de la formation de la trame astrocytaire et la mise en place du réseau endothélial par l’intermédiaire des AGPI libérés par la iPLA2. Les mécanismes moléculaires impliqueraient la voie des Angiopoïétines-Tie sans affecter celle du VEGF. Chez l’homme, nous avons noté une réduction des AGPI circulants, en particulier l’acide docosaexanéïque et l’acide arachidonique, sur les phosphatidyl-éthanolamines chez tous les patients diabétiques avec ou sans rétinopathie diabétique, sans implication des formes plasmalogènes. Nos résultats suggèrent une implication du métabolisme des plasmalogènes dans le contrôle du développement vasculaire en période péri-natale mais pas au cours de la rétinopathie diabétique. Ce contrôle serait exercé par l’intermédiaire des AGPI libérés par la iPLA2. / Retinal vascular complications are secondary events of several retinopathies that result in blindness at all ages. Such complications can be observed in retinopathy of prematurity, diabetic retinopathy and age-related macular degeneration. Lipids, and particularly polyunsaturated fatty acids (PUFAs), display beneficial properties in the prevention of such retinopathies. Among the different lipid classes, the plasmalogen subclass is particularly interesting since it is known to be rich in PUFAs. These PUFAs are known to be released by a calcium-independent phospholipase (iPLA2) and further converted into biologically active metabolites. Some of these metabolites are known to be involved in the modulation of retinal angiogenesis. The aim of this work was to evaluate the involvement of plasmalogens in retinal vascular development through PUFA release by iPLA2. To check this hypothesis, we have comparatively characterized cellular and molecular mechanisms of postnatal retinal vascular development in an animal model of retinal iPLA2 inhibition as well as in a model of plasmalogens deficiency. On the other hand, we have attempted to identify potential alterations in plasmalogen metabolism in diabetic retinopathy. Our results suggest that plasmalogens are essential for the physiological development of retinal vessels. They are involved in the control of astrocyte template formation and the development of the primary vascular network through PUFA released by iPLA2. Molecular mechanisms by which PUFAs from plasmalogens control retinal vascular development involve Angiopoietin-Tie pathways, without affecting those involving VEGF. In the human study, we have observed a decrease in the bioavailability of circulating PUFAs, and especially docosaexaneic acid and arachidonic acid binded to phosphatidyl-ethanolamine in all diabetic patients with or without diabetic retinopathy. Plasmalogens were not involved in these modifications. Our results suggest that plasmalogen metabolism is involved in the control of primary vascular growth during retinal development but not in diabetic retinopathy. Plasmalogens may control early steps of retinal vascular development through the release of PUFAs by iPLA2.

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Cell polarity is an essential property of adult neurons, which rely on asymmetric distribution of receptors and transmitters for proper signal propagation and cell function. In the retina, loss of photoreceptor (PR) polarity can lead to retinal dystrophies such as Leber Congenital Amaurosis, but the molecular mechanisms involved in regulating PR polarity remain unclear. A highly conserved protein complex involved in the establishment of cell polarity from C. elegans to mammals is the Par complex. Localized at the subapical region of polarized cells, it is composed of the “partitioning defective” PDZ domain-containing proteins Par3/Par6 and the atypical protein kinase C (aPKC). Although extensively studied in epithelial cells, the role of the Par complex in mammalian neurons remains poorly understood. Our unpublished results indicate that conditional inactivation (cKO) of Par3 in the developing retina interferes with the polarized growth of the photosensitive cilium at the apical tip of PR cells, eventually leading to PR degeneration. To uncover how Par3 might regulate ciliogenesis in PR cells, we immunoprecipitated Par3 from mouse retinal extracts and carried out mass spectrometry analysis. We found a cluster of calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) proteins as potential Par3-interacting partners in the retina. CaMKII is one of the most abundant proteins found in the central nervous system, where it constitutes 1-2% of total proteins. While extensive studies have demonstrated the importance of CaMKII in long-term potentiation (LTP), long term depression (LTD) and dendrite arborisation, its role in cell polarity remains unknown. Using tagged versions of Par3 and CaMKIID, we validated their interaction in vivo and in vitro by co-immunoprecipitation. Interestingly, we found that CaMKIID localizes to the ciliary region of PRs, suggesting that Par3 might recruit CaMKIID at the apical membrane of PR cells, where it could be involved in ciliogenesis. To explore this hypothesis, we investigated whether dominant-negative or constitutively active forms of CaMKIID could impact cilia formation in PRs. Interestingly, overexpression of both mutant forms of CaMKIID during PR development resulted in shortening of the photosensitive cilia (outer segments), similar to what we observed in Par3 cKO retinas. This study suggests that a CaMKIID/Par3 protein complex regulates the establishment of PR cell polarity, raising the possibility that this complex may be generally involved in controlling neuronal polarity throughout the nervous system. / Le traitement et la propagation de l’information nerveuse repose sur une distribution asymétrique de récepteurs et d’émetteurs à la surface de chaque neurone. Ce cloisonnement en domaines sous-cellulaires distincts est également appelé polarité cellulaire. Dans la rétine, la perte de polarité des photorécepteurs peut entraîner des dystrophies rétiniennes telle que l'amaurose congénitale de Leber, mais les mécanismes moléculaires impliqués restent flous. Un complexe protéique impliqué dans l'établissement de la polarité cellulaire, hautement conservé de C. elegans aux mammifères, est le complexe PAR. Localisé au niveau de la région sous-apicale des cellules polarisées, le coeur de ce complexe est constitué des protéines de la famille partitioning defective Par3 / Par6 et de la protéine kinase C atypique aPKC. Bien que largement étudié dans les cellules épithéliales, le rôle du complexe Par dans les neurones de mammifères reste mal compris. Nos résultats indiquent que l'inactivation conditionnelle (cKO) de Par3 dans la rétine de souris en développement interfère avec la croissance polarisée du cil photosensible à la pointe apicale des cellules photoréceptrices (PR), conduisant finalement à une dégénérescence des PRs. Pour découvrir comment Par3 pourrait réguler la ciliogenèse des PRs, nous avons immunoprécipité Par3 à partir d'extraits rétiniens de souris et effectué une analyse par spectrométrie de masse. Nous avons trouvé un ensemble de protéines appartenant à la famille des calcium-calmoduline-dépendantes de la protéine kinase II (CaMKII) comme partenaires potentiels de Par3 dans la rétine. Les CaMKII figurent parmi les protéines les plus abondantes du système nerveux central où elles constituent 1 à 2% des protéines totales. Alors que des études approfondies ont démontré l'importance de CaMKII dans la potentialisation et la dépression à long terme (LTP et LTD), et l'arborisation des dendrites, son rôle dans la polarité cellulaire reste inconnu. En utilisant des versions étiquetées de Par3 et CaMKIID, nous avons validé leur interaction in vivo et in vitro par co-immunoprécipitation. Nous avons mis en évidence une localisation de CaMKIID dans la région ciliaire des PR, suggérant que Par3 pourrait recruter CaMKIID à la membrane apicale des cellules PR, où il pourrait être impliqué dans la ciliogenèse. Pour explorer cette hypothèse, nous avons étudié si les formes dominantes négatives ou constitutivement actives de CaMKIID pouvaient avoir un impact sur la formation des cils des PRs. vii La surexpression des deux formes mutantes au cours du développement des PRs a entrainé un raccourcissement des segments externes, semblable à ce que nous avons observé dans les rétines Par3 cKO. Cette étude montre qu'un complexe de protéines CaMKIID / Par3 pourrait réguler l’établissement et le maintien de polarité des PRs, suggérant l’implication ce complexe dans le contrôle de la polarité neuronale de l’ensemble du système nerveux central.

La rétinopathie diabétique est une cause majeure de cécité et de malvoyance qui affecte jusqu'à 90% des patients atteints de diabète. Le Maroc n’échappe pas à cette pathologie, qui est connue pour altérer le fonctionnement du système visuel et pourrait conduire également à des désordres chronobiologiques, aussi bien chez l’Homme que chez des modèles animaux. Ces altérations pourraient être liées aux dégénérescences neuronales des systèmes de photoréception classique (cône et bâtonnet) et des cellules ganglionnaires à mélanopsine, impliqués dans la régulation et l’entraînement par la lumière du système circadien. Cependant, à l’heure actuelle, peu d’études ont analysé précisément l’impact de la rétinopathie diabétique sur le système circadien. L’objectif de notre travail est d’analyser au cours de la rétinopathie diabétique (1) l’atteinte des cônes, des bâtonnets et des cellules ganglionnaires à mélanopsine, (2) le fonctionnement endogène moléculaire et la réponse à la lumière des horloges centrale et rétinienne et (3) la réponse comportementale du système circadien à la lumière. Notre stratégie est basée sur l’utilisation d’un modèle murin, chez lequel le diabète est induit expérimentalement par l’administration d’un agent chimique la streptozotocine (STZ), toxique pour les cellules β pancréatiques. Des approches morphométriques, moléculaires et comportementales ont été utilisées. Nos résultats montrent que le diabète induit des changements morphologiques des cellules ganglionnaires à mélanopsine tels que des gonflements des somas et des varicosités au niveau des dendrites avec une préservation du nombre total de ces cellules. Ceci est associé à une diminution de l’induction par la lumière du gène c-fos et des gènes de l’horloge Per1 et Per2 au niveau du SCN et à l’absence de cette induction au niveau rétinien au stade 12 semaines après l’induction du diabète. La machinerie moléculaire des horloges rétinienne et centrale évaluée par l’analyse de l’expression circadienne des gènes de l’horloge et des gènes contrôlés par les gènes de l’horloge montre que certains gènes de l’horloge clés pour chaque tissu sont altérés. A l’échelle comportementale, les souris STZ (souris diabétiques) montrent une réduction de l’amplitude du rythme de leur activité locomotrice totale et une diminution de la sensibilité à la lumière aux faibles intensités. Après une avance de phase du cycle 12L/12D, ces animaux présentent également une diminution de la vitesse de resynchronisation au nouveau cycle lumineux imposé par rapport aux animaux témoins. Ces nouvelles données montrent que le diabète de type 1 altère les réponses du système circadien à la lumière d’un point de vue moléculaire et comportemental et suggèrent que les patients diabétiques peuvent présenter des troubles circadiens particulièrement lorsqu’ils sont soumis aux challenges chronobiologiques / Diabetic retinopathy is a major cause of blindness and is commonly viewed as a vascular complication of type 1 diabetes. However, this kind of diabetes causes visual dysfunction before the onset of clinically visible microvascular changes, associated with diabetic retinopathy. Several histopathological studies in diabetic patients and in chemically-induced or genetic rodent models of diabetes indicate that photoreceptors and retinal ganglion cells (RGCs) are affected by diabetes with apoptotic degeneration. There is increasing evidence that melanopsin-expressing ganglion cells that are crucial for the regulation of a range of non-visual functions including the photic synchronization of circadian rhythms are altered in retinal pathologies. The link between diabetes and circadian rhythms has only been addressed in a relatively limited number of studies. Using a streptozotocin-induced (STZ) model of diabetes, we investigated the impact of diabetic retinopathy on non-visual functions by analyzing the morphology of melanopsin ganglion cells and light-induced c-fos and Period 1-2 clock genes in the central (SCN) and the retina clocks. The effect of this pathology on the endogenous circadian function of clock and controlled clock genes was assessed in the SCN and the retina at 12 weeks post-diabetes. Behaviorally, the ability of STZdiabetic mice to entrain to light was challenged by the exposure of animals to 1) successive light/dark (LD) cycle of decreasing or increasing light intensities during the light phase and 2) 6-hr advance of the LD cycle. Our results show that diabetes induces morphological changes of melanopsin-expressing ganglion cells including soma swelling and dendritic varicosities with no reduction in their total number, associated with decreased c-fos and clock genes induction by light in the SCN and also in the retina at 12 weeks post-onset of diabetes. In addition, the circadian expression of major clock genes was altered in the central and retinal clocks, suggesting that RD affects the endogenous molecular machinery and the light response of these two clocks. Moreover, STZ-diabetic mice exhibited a reduction of overall locomotor activity, a decrease of circadian sensitivity to light at low intensities, and a delay in the time to re-entrain after a phase advance of the LD cycle. These novel findings demonstrate that diabetes alters clock genes and behavioral responses of the circadian timing system to light and suggest that diabetic patients may show an increased propensity for circadian disturbances, in particular when they are exposed to chronobiological challenges

Le glaucome, comme beaucoup d’autres maladies neurodégénératives, entraîne la mort des neurones et reste à ce jour incurable, représentant de ce fait un véritable fardeau pour la société. Il y a donc un réel besoin de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques afin de ralentir la progression, voire de guérir les maladies neurologiques. Depuis des décennies, les chercheurs qui étudient les blessures ainsi que les maladies qui affectent le système nerveux central (SNC) ont focalisé leur attention sur la compréhension des mécanismes impliqués dans la dégénérescence axonale afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour la protection et la régénération des axones. Mais des données récentes indiquent que des déficits dendritiques constituent une caractéristique précoce de la neurodégénérescence, un phénomène maintenant appelé la pathologie dendritique et qui jouerait un rôle prépondérant dans la pathogénèse des maladies neurodégénératives comme le glaucome. Parce que les dendrites représentent des structures essentielles pour la communication et la fonction neuronale, il est donc crucial de protéger et de restaurer non seulement les axones mais aussi les dendrites des neurones encore vivants afin d’améliorer la condition des patients. Malgré cela, la capacité des neurones à régénérer leurs arbres dendritiques reste encore largement inconnue. L’hypothèse centrale de cette thèse propose que : 1) les neurones du SNC peuvent faire repousser leurs dendrites après une blessure axonale, et 2) l’identification des voies de signalisation impliquées pourrait offrir de nouvelles possibilités thérapeutiques permettant de ralentir, voire de prévenir la dégénérescence des neurones rétiniens lors de pathologies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de cette thèse, nous avons démontré que les neurones des mammifères sont pourvus d’une capacité à restaurer leur arbre dendritique et leurs connectivités synaptiques. Grâce à l’utilisation de souris transgénique soumis à une transsection du nerf optique (axotomie), nous avons montrés que les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) subissent rapidement un rétrécissement dendritique, bien avant que les dommages axonaux ou la perte des soma ne soient visibles. Nous avons également démontré que l’administration quotidienne d’insuline, par voie topique (gouttes oculaires) ou systémique (injection intrapéritonéale) après la rétraction des dendrites mais avant la mort neuronale induit une régénération robuste des dendrites ainsi qu’une restauration des connections avec les cibles présynaptiques. De plus, cette régénération des arbres dendritiques suite au traitement d’insuline permet d’étendre la survie neuronale et de restaurer la réponse rétinienne à la lumière. Des expériences de perte de fonction ciblée via l’utilisation de petits ARN interférents ont révélé que la régénération induite par l’insuline requiert l’activité des deux complexes de la voie mTOR, mTORC1 et mTORC2. Ces derniers agissent de manière synergique, mTORC1 régulant l’apparition de nouvelles branches dendritiques pour restaurer la complexité des arbres alors que mTORC2 stimule l’élongation des dendrites. Dans la deuxième étude présentée dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que morgana, une protéine chaperonne en aval de mTORC2, est exprimée par les CGRs et que son expression est sévèrement inhibée rapidement après une blessure axonale. Nous avons également démontré que morgana est nécessaire au succès de la régénération ainsi que de la neuroprotection induite par le traitement d’insuline. De plus, nous avons montré que le rétablissement de l’expression de morgana spécifiquement dans les CGRs via l’utilisation d’un vecteur viral (AAV) mène à une régénération robuste non seulement de leurs dendrites mais aussi de leurs synapses. Ainsi, nous avons identifié un nouveau rôle pour la protéine morgana dans la régulation de la morphologie des arbres dendritiques des neurones adultes chez les mammifères. En conclusions, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques impliqués dans la pathologie dendritique des CGRs et identifient des cibles prometteuses pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le cadre des maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma, just as many other neurodegenerative diseases, triggers neuronal death and remained incurable, hence representing a heavy burden for the society. Therefore, there is a critical need for developing new therapeutic strategies to delay the progression of and, ultimately, cure neurological conditions. For decades, neuroscientists studying injuries and diseases of the CNS have largely focused on understanding the mechanisms of axon degeneration to identify new targets for axonal protection and regeneration. But recent data indicates that dendritic deficits represent an early feature of neurodegeneration, a phenomenon now called dendritic pathology and playing a key role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases including glaucoma. Because dendrites are essential structures for neuronal communication and function, it is therefore crucial to protect or restore connectivity as well as axons of surviving neurons to improve patients’ condition. In spite of this, the ability of injured neurons to regenerate dendrites remains largely ignored. The central hypothesis of the thesis is that: i) adult CNS neurons can regrow their dendrites after axonal injury, and ii) the identification of underlying signalling pathways would offer new therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I demonstrated that mammalian neurons are endowed with the ability to restore their dendritic arbor and synaptic connectivity. Using adult transgenic mice subjected to optic nerve axotomy, we have shown that retinal ganglion cells (RGCs) rapidly undergo dendritic shrinkage before cell death or axonal damage become visible. We also demonstrated that daily insulin, administered topically (eye drops) or systemically (intraperitoneal) after dendritic arbour shrinkage and prior to neuronal loss results in a robust regeneration of dendrites and successful reconnection with presynaptic targets. Moreover, insulin-mediated restoration of dendritic arbors extended neuronal survival and rescued lighttriggered retinal responses. Targeted loss-of-function experiments using siRNAs revealed that insulin-dependent regeneration requires both the activity of both mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2 which act synergistically, mTORC1 promoting new dendritic branching to restore arbor complexity, while mTORC2 drives dendritic process elongation. In the second study presented in my thesis, we showed for the first time that morgana, a chaperone protein downstream of mTORC2, is expressed by RGCs and severely downregulated soon after axonal injury. We also demonstrate that morgana is required for successful insulinmediated regeneration of RGC dendrites and neuroprotection. Morgana specific knockdown using siRNA designed against morgana resulted in substantial alterations of dendrite elongation, without changes in arbor complexity. Further, we showed that AAV-mediated rescue of morgana expression selectively in RGCs promoted striking regeneration of dendrites and synapses. Hence, our findings identified a new role for morgana in the regulation of dendritic arbor morphology in adult mammalian neurons Collectively, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC dendritic pathology and identified promising targets for the development of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

La vision est considérée comme un des sens les plus importants, prenant en charge environ 80% des perceptions que nous recevons dans notre vie quotidienne. Les photorécepteurs de type cônes sont responsables de la vision centrale de haute résolution et en couleurs, et leur dégénérescence est souvent la cause de la perte de vision dans les maladies dégénératives rétiniennes (RDs). Les RDs sont un groupe hétérogène de maladies affectant des millions de personnes dans le monde, qui pour le moment sont pour la plupart sans aucune option thérapeutique. Les modèles animaux sont extrêmement utiles pour étudier le développement ou la dégénérescence de la rétine, ainsi que pour comprendre les mécanismes moléculaires des maladies génétiques héréditaires affectant les photorécepteurs. La modélisation des maladies dégénératives et du développement peut être particulièrement difficile, spécialement dans le cas de maladies humaines rares et complexes pour lesquelles aucun modèle animal exhaustif n'est disponible. De nos jours, la génération et le maintien de modèles de maladies humaines permettant une analyse approfondie du mécanisme moléculaire représente un grand défis . La technologie des cellules souches possède un grand potentiel dans la modélisation des maladies et représente un outil puissant pour générer des modèles évolutifs, sans l’utilisation d’animaux qui peuvent illustrer plus précisément les phénotypes cliniques de maladies humaines complexes. Nous avons développé un protocole pour différencier les cellules souches pluripotentes (PSCs) en feuillets rétiniens (RSs), qui sont des tissus polarisés et multicouches contenant des photorécepteurs cône et exprimant les marqueurs spécifiques du segment externe (OS), du cilium connecteur (CC) et du noyau. En utilisant à la fois des modèles de souris et des modèles humanisés à base de cellules souches, nous avons étudié le rôle de BMI1 dans les photorécepteurs matures. La protéine du groupe Polycomb Bmi1 est connue pour ses fonctions neuroprotectrices en contrôlant la sénescence et l'apoptose, et est exprimée à la fois dans le progéniteur rétinien et les neurones, mais on en sait peu sur son rôle spécifique dans la rétine adulte. Elle a été récemment associée à des troubles neurodégénératifs d'apparition tardive, et elle pourrait avoir un rôle dans la pathologie des RDs d'apparition tardive, comme la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). Nous avons montré que les photorécepteurs cône et les neurones bipolaires sont générés normalement mais subissent ensuite une dégénérescence rapide chez les souris Bmi1-/- par nécroptose associée à Rip3. La dégénérescence était associée à des anomalies de compactage de la chromatine, à l'activation des répétitions en tandem et au stress oxydatif. De plus, nous montrons que BMI1 est préférentiellement exprimé dans les cônes au niveau des foyers hétérochromatiques dans la rétine humaine. Son inactivation dans les cellules souches embryonnaires humaines (hESCs) a altéré la différenciation terminale du cône et a entraîné des anomalies de compactage de la chromatine, l'activation des répétitions en tandem et l'induction de P53. Ces résultats fournissent un mécanisme expliquant comment une carence en Bmi1 conduit à la dégénérescence des cônes et révèlent des fonctions biologiques conservées et des différences pour Bmi1 dans la biologie des photorécepteurs entre la souris et l'homme. En utilisant un modèle humain basé sur les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), nous avons ensuite étudié le processus dégénératif chez les patients atteints de ciliopathies, un groupe de maladies génétiques hétérogènes affectant les protéines impliquées dans la structure et la fonction du cil primaire, qui sont fréquemment accompagnée d'une dégénérescence rétinienne. Nous générons des feuillets rétiniens dérivés d'iPSCs à partir de patients atteints de deux ciliopathies, les syndromes de Meckel-Gruber (MKS) et de Bardet-Biedl (BBS). Les photorécepteurs ciliopathiques présentaient des altérations communes significatives dans l'expression de centaines de gènes de développement. De plus, ils ont montré plusieurs anomalies dans la formation et le maintien du cilium interne, le positionnement du centriole mère, l'activation d'une réponse au stress aux protéines mal repliées, instabilités génomiques et l'accumulation de dommages à l'ADN. Cette étude révèle comment la combinaison des technologies de reprogrammation cellulaire et d'organogenèse avec le séquençage de nouvelle génération permet d'élucider les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les troubles dégénératifs et développementaux de la rétine humaine. La même approche, combinant la différenciation en RSs avec des techniques de séquençage du génome à large spectre, pourrait être appliquée pour modéliser de nombreuses maladies génétiques, développementales et dégénératives affectant les photorécepteurs. Il peut également aider à élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents à ces maladies, au criblage de médicaments de composés ayant des effets thérapeutiques potentiels et à prédire les effets secondaires des médicaments. / Vision is considered the most important sense, taking on about 80% of the perceptions we receive in our everyday life. Cone-photoreceptors are responsible for high-resolution central vision and color discrimination, and their degeneration is frequently the cause of vision loss in retinal degenerative diseases (RDs). RDs are a heterogeneous group of diseases affecting millions of people worldwide, which at the moment are mostly without any therapeutic option. Animal models are extremely useful in studying the retina's development or degeneration and understanding the molecular mechanisms in inherited genetic disease affecting photoreceptors. Modeling human developmental and degenerative diseases can be particularly challenging, especially in the case of rare and complex diseases where no exhaustive animal models are available. Generation of sustainable human disease models that allow in-depth analysis of the molecular mechanism is one of the big challenges nowadays. Stem cell technology holds great potential in disease modeling and represents a new powerful tool for generating scalable and animal-free models that can more accurately illustrate clinical phenotypes of complex human diseases. We developed a protocol to differentiate pluripotent stem cells (PSCs) into retinal sheets (RSs), which are polarized, multi-layered tissues containing cone photoreceptors and expressing outer segment (OS), connecting cilium (CC), and nuclear specific markers. Using both mouse and stem cells-based humanized models, we first investigate the role of BMI1 in mature photoreceptors. The Polycomb group protein Bmi1 is known for its neuroprotective functions by controlling senescence and apoptosis and is expressed in both retinal progenitor and neurons, but little is known about its specific role in the adult retina. It has been recently linked to late-onset neurodegenerative disorders, and it could have a role in the pathology of late-onset RDs, such as Age-related Macular Degeneration (AMD). We showed that cone photoreceptors and bipolar neurons are generated normally but then undergo rapid degeneration in Bmi1-/- mice through Rip3-associated necroptosis. Degeneration was associated with chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and oxidative stress. Furthermore, we show that BMI1 is preferentially expressed in cones at heterochromatic foci in the human retina. Its inactivation in human embryonic stem cells (hESCs) impaired cone terminal differentiation and resulted in chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and P53 induction. These findings provide a mechanism explaining how Bmi1 deficiency leads to cone degeneration and reveal conserved biological functions and differences for Bmi1 in photoreceptor biology between mouse and man. Using an induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) based human model, we then investigate the degenerative process in patients with ciliopathies, a group of heterogeneous genetic diseases affecting proteins involved in primary cilium structure and function frequently accompanied by retinal degeneration. We generate iPSC-derived retinal sheets from patients affected by two ciliopathies, Meckel-Gruber (MKS) and Bardet-Biedl syndromes (BBS). Ciliopathic photoreceptors displayed significant common alterations in the expression of hundreds of developmental genes. Moreover, they showed several anomalies in the formation and maintenance of cilia, the mother centriole's positioning, the activation of a stress response to misfolded proteins, genomic instabilities, and DNA damage accumulation. This study reveals how combining cell reprogramming and organogenesis technologies with next-generation sequencing enables the elucidation of molecular and cellular mechanisms involved in human retinal degenerative and developmental disorders. The same approach, combining photoreceptor sheet differentiation and wide-genome expression profile, could be applied to model many genetic, developmental, and degenerative diseases affecting photoreceptors. It may help elucidate the molecular mechanisms underlining these diseases, drug screening of compounds with potential therapeutic effects, and predict drug side effects.

La manière dont la diversité neuronale du système nerveux central est établie au cours du développement est une question d'un grand intérêt depuis plus d'un siècle. Les progéniteurs neuronaux sont contrôlés dans l'espace et dans le temps afin de générer un ensemble diversifié de neurones. Les composants moléculaires du contrôle spatial chez les vertébrés soient bien compris, mais le cadre moléculaire du contrôle temporel chez les vertébrés n’a été que peu exploré. Les travaux réalisés, au cours de la dernière décennie, sur le développement de la rétine chez la souris ont révélé l'existence de deux importants facteurs de transcription temporels (tTF). Ikzf1 confère une compétence temporelle précoce alors que Casz1 confère une compétence temporelle tardive aux cellules progénitrices de la rétine (RPC) des mammifères. Cependant, sur les sept types cellulaires présents dans la rétine, ces tTFs ne régulent pas la capacité de générer les cônes nés précocement ni pour les cellules gliales de Müller nées tardivement, suggérant la présence d'autres tTFs non identifiés. L'objectif principal de cette thèse a été de découvrir les mécanismes moléculaires contrôlant la production des cônes au cours de la rétinogenèse précoce ainsi que la production tardive des cellules gliales de Müller. Dans cette thèse, Pou2f1 a été découvert comme un tTF qui confère aux RPCs une compétence temporelle à générer des cônes. Pou2f1 active l'expression de Pou2f2, qui permet ensuite de favoriser la production de cônes en réprimant l’expression du facteur de transcription Nrl. Ikzf1 active l'expression de Pou2f1 dans les RPC alors que Pou2f1 réprime le tTF tardif Casz1, suggérant une boucle d'autorégulation transcriptionnelle entre ces différents tTF. De plus, Ikzf4, un autre membre de la famille Ikzf, s'est avéré important pour la spécification des cônes et des cellules gliales de Müller. Ikzf4 active l’expression de Pou2f1/Pou2f2 lorsqu'il est surexprimé dans des RPC tardifs, suggérant qu’il permet la production de cônes en activant directement l’expression de Pou2f1/Pou2f2. Ikzf4 était également lié à de nombreux gènes de la voie de signalisation de Notch, qui sont impliqués dans la production de cellules gliales de Müller au cours de la rétinogenèse. Ce travail établi des bases pouvant inspirer de futures études dans d'autres parties du SNC, où des tTF similaires pourraient aussi contrôler la production de différents types cellulaires en fonction du temps. Enfin, cette thèse propose de nouveaux tTF comme outils thérapeutiques pour améliorer l’efficacité de production des cônes à partir de cellules souches. / How neural diversity is established in the developing central nervous system has been a question of great interest for more than a century. Neural progenitors are spatially and temporally patterned to generate a diverse set of neurons. Although molecular components of spatial patterning in vertebrates are well understood, the molecular framework behind temporal patterning in vertebrates has been largely unexplored. Work done in the past decade on mouse retinal development has revealed insights on how temporal patterning could be established in the CNS. Retinal neurons and glia are born in a sequential but overlapping manner from a pool of multipotent retinal progenitor cells (RPCs), consisting of an early embryonic and late post-natal window of cell birth. Two temporal transcription factors (tTFs), Ikzf1 and Casz1, confer early and late temporal competence to retinal progenitor cells (RPCs), respectively. However, out of the seven cell types in the retina, these tTFs do not regulate the competence for early born cones and late born Müller glia, suggesting the presence of other unidentified tTFs. The prime goal of this thesis was to uncover the molecular mechanisms controlling cone specification during early, and Müller glia specification during late retinal development. In this thesis, Pou2f1 was discovered as a novel tTF that confers temporal competence to RPCs to generate cones. Pou2f1 activates Pou2f2, which binds to the promoter of Nrl, a key rod specification gene, and represses its expression. Early tTF Ikzf1 activates Pou2f1, whereas Pou2f1 represses late tTF Casz1 in RPCs. Additionally, Ikzf4 was discovered as an important regulator of cone specification early, and Müller glia specification late during retinal development. Ikzf4 binds to genomic regions near Pou2f1/Pou2f2 gene bodies and activates their expression during early retinogenesis. During late retinogenesis, Ikzf4 binds to promoters of Notch signaling genes and activates their expression to promote Müller glia differentiation. Taken together, these results reveal important insights on how cone and Müller glia production is temporally controlled during early and late retinogenesis. This work lays the groundwork for future studies in other parts of the developing CNS that could employ similar tTFs for temporal patterning. Finally, this thesis proposes novel tTFs as therapeutic tools to efficiently generate cones from ESC-derived retinal organoids and sheets.

Ce mémoire s’intéresse à l’optimisation du potentiel visuel de l’individu présentant des incapacités visuelles par la modification de son environnement. Les objectifs étaient de documenter le temps de réalisation des activités quotidiennes chez les individus présentant une atteinte du champ visuel périphérique (rétinopathie pigmentaire/RP) et une atteinte du champ visuel central (dégénérescence maculaire/DMLA) dans un environnement rehaussé de couleurs vives puis dans un environnement adapté en noir et blanc. Deux groupes (15 RP et 15 DMLA) ont effectué neuf tâches quotidiennes dans trois environnements (non-adapté, noir/blanc et coloré). Les deux groupes ont démontré un ralentissement du temps de réalisation significatif par rapport à la norme quel que soit l’environnement. Les participants RP ont amélioré leur temps de réalisation de façon significative dans l’environnement coloré. Ces résultats permettront aux cliniciens de mieux justifier leurs choix chromatiques lors de l’adaptation des activités de leurs clients. / This master's thesis examines the question of how to maximize the potential vision of individuals with a visual impairment, by modifying their environment. Objectives were to document the time taken to complete daily tasks for individuals with a loss of peripheral vision (retinitis pigmentosa/RP) and with a loss of the central field of vision (macular degeneration/MD) by colouring the environment and, by providing a black and white environment. Two groups (15 RP and 15 MD) carried out nine everyday tasks in three environments (not adapted; black and white; coloured). Both groups took significantly longer to carry out these tasks, compared to the sighted, irrespective of the environment. However, the participants with RP were faster in the coloured environment compared to the other two environments. These results may allow the clinicians to better justify their choice of presentation environment when adapting activities for their clients.

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

Le LPC est un complément à la lecture labiale qui facilite la communication des malentendants. Sur le principe, il s'agit d'effectuer des gestes avec une main placée à côté du visage pour désambigüiser le mouvement des lèvres, qui pris isolément est insuffisant à la compréhension parfaite du message. Le projet RNTS TELMA a pour objectif de mettre en place un terminal téléphonique permettant la communication des malentendants en s'appuyant sur le LPC. Parmi les nombreuses fonctionnalités que cela implique, il est nécessaire de pouvoir reconnaître le geste manuel du LPC et de lui associer un sens. L'objet de ce travail est la segmentation vidéo, l'analyse et la reconnaissance des gestes de codeur LPC en situation de communication. Cela fait appel à des techniques de segmentation d'images, de classification, d'interprétation de geste, et de fusion de données. Afin de résoudre ce problème de reconnaissance de gestes, nous avons proposé plusieurs algorithmes originaux, parmi lesquels (1) un algorithme basé sur la persistance rétinienne permettant la catégorisation des images de geste cible et des images de geste de transition, (2) une amélioration des méthodes de multi-classification par SVM ou par classifieurs unaires via la théorie de l'évidence, assortie d'une méthode de conversion des probabilités subjectives en fonction de croyance, et (3) une méthode de décision partielle basée sur la généralisation de la Transformée Pignistique, afin d'autoriser les incertitudes dans l'interprétation de gestes ambigus.