Le syndrome de Goldenhar ou OAVS est une maladie du développement impliquant les deux premiers arcs branchiaux. Très hétérogène, elle est caractérisée par des anomalies des oreilles,des yeux et des vertèbres ainsi que par une microsomie hémifaciale. Des causes environnementales (exposition à l’Acide Rétinoïque (AR) durant la grossesse) et des causes génétiques (anomalies chromosomiques) ont été évoquées, mais aucun gène n’était directement associé à ce spectre. L’objectif de ce projet est donc d’identifier des gènes impliqués dans le spectre OAV. Des approches pangénomiques par séquençage nouvelle génération (exome,panels de gènes ciblés) ont été utilisées pour identifier des gènes candidats. L’identification de mutations dans MYT1 et l’inactivation transitoire de son l’homologue myt1a chez le poisson zèbre ont confirmé son rôle dans le développement cranio-facial et son implication dans l’OAVS. La validation fonctionnelle de ces mutations a été réalisée in vitro. Cible de la voie de l’Acide Rétinoïque (AR), MYT1 agit également comme répresseur des Récepteurs de l’AR permettant son rétrocontrôle négatif. Une approche toxicologique (traitements à l’AR de souris gestantes pendant une période clef du développement embryonnaire) a permis l’identification de protéines et de voies de signalisation dérégulées chez les embryons traités. L’étude de ces protéines modulées et notamment de celles déjà impliquées dans le développement cranio-facial tend à renforcer le lien entre AR et OAVS et offre des pistes intéressantes quant à l’identification de nouveaux gènes candidats pour ce syndrome, ces protéines pouvant être codées par des gènes potentiellement mutés chez des patients OAVS. / Goldenhar syndrome or Oculo-Auriculo-Vertebral Spectrum (OAVS) is a rare developmental disorder involving the first and the second pharyngeal arches. Extremely heterogeneous, it is characterized by hemifacial microsomia, asymmetric ears, ocular and vertebral abnormalities. Various etiologies have been suggested including environmental factors, especially embryonic Retinoic Acid (RA) exposure during pregnancy, and genetic causes (various chromosomal abnormalities). However, no gene had been formally implicated in this syndrome so far. The goal of this project is to identify genes involved in OAVS. Novel pangenomic approaches by Next generation Sequencing (Whole Exome Sequencing and Target genes Panel) were used to find new candidate genes. Identification of mutations in MYT1 and the transient knockdown experiments in zebrafish confirmed its implication in OAVS. Our in vitro studies provided functional characterization of these mutations and supported the link between MYT1 and RA signaling pathway. Thus, MYT1 is a target of RA but also acts as a repressor of RA Receptors and so, participates at the negative feedback. Toxicological approach was also performed by treatment of gestational mice by all-trans RA during a critical window of embryonic development. It led to a deregulation of proteins and to a modulation of cellular pathways in treated embryos. Studying the proteins whose expression is altered following the treatment, especially the proteins already involved in craniofacial development, could led to the identification of new candidate genes for OAVS and thus, may allow to better decipher the pathogenic mechanisms.

Les Rétinal déshydrogénases (RALDHs) catalysent irréversiblement la déshydrogénation du Rétinal en Acide Rétinoïque (AR) qui est impliqué dans l’embryogenèse et la différenciation tissulaire. Pour comprendre le rôle dans la biosynthèse de l’AR des RALDHs type 3 et 4 de souris, nous avons déterminé leurs propriétés cinétiques ainsi que leur comportement en présence de différents inhibiteurs. Les tests enzymatiques sont effectués avec une préparation d’enzyme recombinante, tagguée avec 6 histidines, purifiée sur colonne Ni-NTA (Qiagen). L’activité enzymatique est évaluée en quantifiant la production d’AR par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) en phase inversée. Les constantes cinétiques ont été déterminées pour les isomères du rétinal tout-trans, 9-cis et 13-cis. La RALDH4 catalyse les isomères 9-cis et 13-cis de rétinal, elle présente un faible KM (3μM) pour les deux isomères et a une efficacité catalytique élevée pour le 9-cis rétinal 3.4 fois supérieure au 13-cis rétinal. La RALDH3 est spécifique au tout-trans rétinal avec un KM de 4 μM et une efficacité élevée. β-Ionone, inhibiteur possible pour la RALDH4, inhibe l’activité avec le rétinal 9-cis et 13-cis, mais n’influence pas l’activité de la RALDH3. Le para-hydroxymercuribenzoïque (p-HMB) inhibe l’activité de deux isoenzymes. Le cation MgCl2 augmente par 3 fois l’oxydation du rétinal 13-cis par la RALDH4, diminue l’oxydation du 9-cis rétinal et influence faiblement la RALDH3. Ces données enrichissent les connaissances sur les caractéristiques cinétiques des RALDHs recombinantes de souris de types 3 et 4 et fournissent des éclaircissements sur la biogenèse de l’acide rétinoïque in vivo. / SUMMARY Retinal dehydrogenases (RALDHs) catalyze the dehydrogenation of retinal into retinoic acids (RA) that are required for embryogenesis and tissue differentiation. This study sought to determine the detailed kinetic properties of 2 mouse RALDHs, namely RALDH3 and 4, for retinal isomer substrates, to better define their specificities in RA isomer synthesis. RALDH3 and 4 were expressed as His-tagged proteins and affinity-purified. RALDH3 oxidized all-trans retinal with high catalytic efficiency but did not show activity for either 9-cis or 13-cis retinal substrates. RALDH4 was inactive for all-trans retinal substrate, exhibited high activity for 9-cis retinal oxidation, and oxidized 13-cis retinal with lower catalytic efficiency. β-ionone, a potent inhibitor of RALDH4 activity, suppressed 9-cis and 13-cis retinal oxidation competitively, but had no effect on RALDH3 activity. The p-HMB inhibited the activity for both RALDH3 and RALDH4. The divalent cation MgCl2 activated 13-cis retinal oxidation by RALDH4 by 3-fold, slightly decreased 9-cis retinal oxidation, and did not significantly influence RALDH3 activity. These data extend the kinetic characterization of RALDH3 and 4, providing their specificities for retinal isomer substrates, which should help in determining their functions in the synthesis of RAs in specific tissues.

Les cellules souches neurales (CSNs) se situent dans des régions spécifiques du système nerveux central qui sont appelées niches. Ces cellules sont capables de se répliquer ou se différentier en cellules neurales spécialisées (neurones, astrocytes et oligodendrocytes). C’est grâce à cette propriété de différentiation que les CSNs sont étudiées comme thérapie chez les patients atteints d’une maladie neurodégénérative. En effet, elles pourraient remplacer les cellules neurales altérées et ainsi restaurer les fonctions neurologiques. De nombreuses approches ont été développées afin de stimuler la différentiation des CSNs, dont la plus prometteuse est la différentiation des cellules endogènes directement au sein de leurs niches. Actuellement, il n’existe pas de molécule active ou de système thérapeutique qui cible les CSNs endogènes et qui induit leur différentiation simultanément. Le but de ce travail est de fournir un système de délivrance de molécules bioactives capable de cibler les CSNs endogènes et d'induire leur différenciation in situ. Nous avons développé et caractérisé des nanoparticules lipidiques (LNC), un système de délivrance très versatile. NFL-TBS.40-63, un peptide ciblant les CSNs, a été adsorbé à la surface des LNC afin de les diriger contre les CSNs endogènes. Nous avons observé que ces NFL-LNC ne ciblaient que les CSNs du cerveau et pas de la moelle. Afin d’étudier les interactions spécifiques entre les nanoparticules et les CSNs, nous avons caractérisé et comparé les propriétés de leur membrane plasmique. Enfin, nous avons encapsulé de l’acide rétinoïque, une molécule connue pour stimuler la différentiation des CSNs, dans les LNC-NFL et étudié leur impact sur la différentiation de CSNs in vitro et in vivo. Ce travail contribue au développement de thérapies efficaces et sures pour le traitement de maladies neurodégénératives à travers la différentiation de CSNs endogènes. / Neural stem cells (NSCs) are located in specific regions of the central nervous system called niches. Those cells are able to self-renew and to differentiate into specialized neuronal cells (neurons, astrocytes and oligodendrocytes). Due to this differentiation property, NSCs are studied to replace neuronal cells and restore neurological functions in patients affected by neurodegenerative diseases. Several therapeutic approaches have been developed and endogenous NSC stimulation is one of the most promising. Currently, there is no active molecule or therapeutic system targeting endogenous CSNs and inducing their differentiation at the same time. The aim of the work was to provide a drug delivery system able both to target endogenous CSNs and to induce their differentiation in situ. Here, we developed and characterized lipidic nanoparticles (LNC) targeting endogenous NSCs. A peptide called NFL-TBS.40-63, known for its affinity towards NSCs, was adsorbed at the surface of LNC. We observed that NFL-LNC specifically targeted NSC from the brain and not from the spinal cord in vitro and in vivo. To explain this specificity, we characterized and compared NFL-LNC interactions with the plasmatic membrane of both cell types. Finally, we demonstrated that by loading retinoic acid in NFL-LNC we were able to induce brain NSC differentiation in vitro and in vivo. This work contributes to the development of efficient and safe therapies for the treatment of neurodegenerative disease via the differentiation of endogenous NSCs.

Les maladies coronariennes sont l'une des principales causes de décès dans le monde. Comment les artères coronaires sont modelées et quelles sont les molécules de signalisation qui régissent ce processus, sont des mécanismes mal compris. Dans la première partie de ma thèse, j'ai identifié le modulateur de signalisation Wnt Rspo3 comme un régulateur crucial de la formation de l'artère coronaire dans le cœur en développement. Rspo3 est spécifiquement exprimé autour des branches coronaires à des moments critiques dans leur développement. L'ablation temporelle de Rspo3 conduit à une diminution de la signalisation de β-caténine et à une réduction de la prolifération spécifique des artères. En conséquence, les branches coronariennes sont défectueuses et l'arbre artériel ne se forme pas correctement. Ces résultats identifient un mécanisme par lequel l'expression localisée de RSPO3 induit la prolifération des artères coronaires à leurs branches permettant leur formation. Le traitement des patients qui se remettent d'un infarctus du myocarde (IM) est difficile car les cardiomyocytes ont une capacité très limitée à régénérer le cœur endommagé. La voie de signalisation de l'acide rétinoïque (AR) est essentielle pour le développement cardiaque et joue un rôle protecteur dans les cœurs endommagés. Pour la deuxième partie de ma thèse, j'ai utilisé une nouvelle lignée rapportrice de l’AR et j'ai observé une réponse spécifique des cardiomyocytes. L'ablation de la signalisation de l’AR par délétion génétique des enzymes Raldh1/2/3 entraîne une augmentation de l'apoptose myocytaire à la fin du développement tardif et après l'IM. Le séquençage des ARNs des cardiomyocytes primaires révèle que le traitement à l’AR réprime l'expression de Ace1, indiquant un nouveau lien entre la signalisation AR et le système Rénine Angiotensine dans le contexte de la réparation cardiaque. / Coronary heart disease is one of the leading causes of death worldwide. How coronary arteries are remodeled and the signaling molecules that govern this process are poorly understood. For the first part of my thesis, I have identified the Wnt-signaling modulator Rspo3 as a crucial regulator of coronary artery formation in the developing heart. Rspo3 is specifically expressed around the coronary stems at critical time-points in their development. Temporal ablation of Rspo3 leads to decreased β-catenin signaling and a reduction in arterial-specific proliferation. As a result, the coronary stems are defective and the arterial tree does not form properly. These results identify a mechanism through which localized expression of RSPO3 induces proliferation of the coronary arteries at their stems and permits their formation. Treating patients recovering from myocardial infarction (MI) is difficult since cardiomyocytes have a very limited capacity to proliferate and regenerate the damaged heart. The Retinoic Acid (RA) signaling pathway is essential for cardiac development and plays a protective role in damaged hearts. For the second part of my thesis, I have utilized a novel RA reporter line and I have observed a cardiomyocyte-specific response. Ablation of RA signaling through genetic deletion of the Raldh1/2/3 enzymes leads to increased myocyte apoptosis both during late development and after MI. RNA sequencing analysis of primary cardiomyocytes reveals atRA treatment represses Ace1 expression, providing a novel link between RA signaling and the Renin Angiotensin System in the context of heart repair.

Metabolic syndrome is a prevalent disease characterized by concurrent manifestation of insulin resistance, obesity, dyslipidemia, hypertension and other hemodynamic and metabolic disorders. It has multifactorial type of inheritance and its resultant phenotype is determined by both environmental and genetic factors as well as their interactions. That is the main reason why comprehensive analysis of the genetic component of this syndrome is complicated in human population. Genetically designed experimental animal models are significant tools for analysis of genetic architecture of human complex conditions including the metabolic syndrome. The aim of this Thesis is utilization of functional and comparative genomic tools to uncover pathogenesis of metabolic syndrome aspects and their genetic determinants. We also studied pharmacogenetic interactions of these genetic determinants with drugs affecting particular components of the metabolic syndrome. Establishing and utilizing several genetically designed congenic rat strains, we undertook four different research projects focusing on pharmacogenetic interaction of all-trans retinoic acid and ondansetron with differential segment of rat chromosome 8, pharmacogenetic interaction of differential segment of rat chromosome 4 and dexamethasone, determining Plzf...

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Retinoic acid (RA) is a well-known neurodevelopmental signaling molecule. It is reported to induce effects on neurite formation in differentiating neurons and to interfere with the actin cytoskeleton. Therefore, this project aimed to investigate the mechanisms behind effects of RA on the actin cytoskeleton of developing neurons using the C17.2 neural progenitor cells (NPCs) in vitro model. The goal was to evaluate the morphological effects the growth cone had upon exposure to RA agonist and antagonist, and to analyze the expression of three genes: Coronin actin-binding protein 1C(Coro1c), Cdc42 effector protein 4 gene (Cdc42), and Fibronectin (Fn1). These genes were selected because of their relation to actin dynamics and/or their regulation by the Wnt pathway, which regulates/affects actin reorganization. Since the Wnt pathway was also shown to be affected by RA, this study aimed to investigate the relationship between RA and actin through the Wnt pathway. Cdc42 and Fn1 are related to both the Wnt pathway and actin dynamics, whereas Coro1cis a known actin-related protein. The expressions showed significant increase with Coro1c, while Cdc42 and Fn1 had a similar overall trend increase with the RA agonist. The RA antagonist showed no significant effect, except a trend decrease in all the genetic expressions. All genetic expression effects subside with the increase of RA agonist and antagonist concentrations. The results suggest the changes in actin filaments are related to a low dose effect of RA. The findings indicate a possibility of a regulation mechanism that controls actin-related gene expression in response to RA. This mechanism is possibly not restricted to the Wnt pathway seeing that a non-Wnt related gene was affected as well.

Introduction : La Vitamine A (rétinol, ROL) et son métabolite l’acide rétinoïque (AR) sont essentielles pour l’embryogénèse. L’excès comme l’insuffisance d’AR sont nocives. L’AR est régularisé dans l’embryon par des gènes spécifiques (ALDH, CRABP, CYP). Hypothèse : Les grandes variations d’AR dans le plasma des adultes normaux, nous ont orienté à mesurer les rétinoïdes (ROL et RA) dans le sang de cordon ombilical, pour évaluer des corrélations avec des polymorphismes des gènes impliquées dans le métabolisme de l’AR et le développement rénal-(RALDH2, CRABP2, CYP26A1; B1). Vérifier pour des corrélations entre ces rétinoïdes et/ou avec la taille de reins à la naissance. Méthodes : Extraction du ROL et RA du sang de cordon ombilical de 145 enfants et analyse par HPLC. Le volume des reins a été mesuré par ultrasonographie et l’ADN génomique leucocytaire extrait (FlexiGene DNA-Kit). 10 échantillons d’ADN ont été exclus (qualité). Les htSNP : ALDH1A2, CRABP2, CYP26A1;B1 du génome humain (HapMap) ont été séquencés et génotypés (Sequenom iPlex PCR).Des testes bio-statistiques des fréquences génotypiques et alléliques ont été effectués (Single-Locus, χ2, Kruskal-Wallis, Allelic-Exact).Des corrélations (ROL, RA, SNPs, V-reins) ont été analysés (Kendall-tau /Oakes). Résultats : La Δ RA (0.07-550.27 nmol/l) non corrélé avec la Δ ROL (51.39-3892.70 nmol/l). Il n’y a pas d’association ROL ou RA avec les volumes des reins ou avec les SNPs/ CYP21A1;B1. Corrélations trouvées : 1. (p=0.035), polymorphisme génétique ALDH1A2-SNP (rs12591551:A/C) hétérozygote/CA, (25enfants, 19%) avec moyennes d’AR (62.21nmol/l). 2. (p=0.013), polymorphisme CRABP2-SNP (rs12724719:A/G) homozygote/AA (4 enfants, 3%) avec hautes valeurs moyennes d’AR (141,3 nmol/l). Discussion-Conclusion : Les grandes ΔRA suggèrent une variabilité génique individuelle du métabolisme de ROL. Les génotypes (CA)-ALDH1A2/ SNP (rs12591551:A/C) et (AA) -CRABP2/SNP (rs12724719:A/G) sont associés à des valeurs moyennes hautes d’AR, pouvant protéger l’embryogénèse lors d’une hypovitaminose A maternelle. / Introduction: Vitamin A (retinol, ROL) modulate the embryogenesis thorough RA, its metabolite. Excess or deficiency being pathologic, the RA is tight regulated in the embryo thorough specific genes (ALDH, CRABP, CYP, etc.) important for Vitamin A metabolism. Hypothesis: High RA variations in healthy adults plasma, oriented to ROL, RA evaluation in human cord blood, in regard of possible correlations with polymorphisms of genes involved in RA metabolism and kidney development (RALDH2, CRABP2, CYP26A1,B1). Correlations between ROL and RA and/or with birth kidney size might also occur. Methods: Cord blood ROL and RA were extracted and HPLC analysed, from 145 Montreal healthy newborns. Kidney volumes already measured by ultrasonography. Genomic leucocytary DNA extraction was performed with FlexiGene DNA-Kit. 10 samples excluded (DNA quality). htSNP choices: ALDH1A2, CRABP2, CYP26A1;B1 were made on HapMap human genome. Sequencing, genotyping (Sequenom iPlex PCR) was made for these genes eventual SNPs. Biostatistics tests for genotype and allelic frequencies (Single-Locus, χ2, Kruskal-Wallis, Allelic-Exact) and Kendall-tau /Oakes analysis for eventual ROL, RA, SNPs, V-reins correlations, were performed. Results: No correlation found between Δ RA (0.07-550.27 nmol/L) and Δ ROL (51.39-3892.70 nmol/L). No association ROL or RA with kidney volumes nor with SNPs/ CYP21A1;B1. Found correlations: 1. (p=0.035), polymorphism ALDH1A2-SNP (rs12591551:A/C) heterozygous/CA, (25babies, 19%) with RA (mean ~62.21nmol/L). 2. (p=0.013), polymorphism CRABP2-SNP (rs12724719: A/G) homozygous/AA (4babies, 3%) with RA (mean~141, 3 nmol/L). Discussion/Conclusion: Big Δ RA not correlated with Δ ROL suggests individual genetic variance on RA metabolism. Genotypes (CA)-ALDH1A2/SNP (rs12591551:A/C) and (AA)-CRABP2/SNP (rs12724719: A/G) are associated with high cord blood RA mean and may be embryogenesis protective in a maternal hypovitaminosis-A, environment.

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Exposure to toxic bile acids (BA) and retinoic acids (RA) is implicated in toxicities related to excessive oxidative stress. This thesis examined roles and mechanisms of the oxidative stress-responsive nuclear factor (erythroid 2-like) factor 2 (Nrf2) in adaptive cell defense against BA and RA toxicities. Using liver cells and mouse models, many antioxidant proteins known to be Nrf2 target genes, particularly the rate-limiting enzyme for glutathione (GSH) biosynthesis, i.e., glutamate-cysteine ligase subunits (GCLM/GCLC), were induced by BA [lithocholic acid (LCA)] or RA (all-trans, 9-cis and 13-cis) treatment. Evidence for increased Nrf2 transactivation by LCA and all-trans-RA was exemplified in HepG2 by: (1) reduced constitutive and inducible expression of GCLM/GCLC upon Nrf2 silencing via small-interfering RNA; (2) increased inducible expression of GCLM/GCLC genes by Nrf2 overexpression, but overexpression of dominant-negative Nrf2 decreased it; (3) increased nuclear accumulation of Nrf2 as signature event of receptor activation; (4) enhanced Nrf2-dependent antioxidant-response-element (ARE) reporter activity as indicative of increased Nrf2 transactivation; and (5) increased Nrf2 occupancy to AREs of GCLM and GCLC. Additionally, in BA-treated HepG2 cells, we observed concomitant increases of many ATP-binding cassette (ABC) transporters (MRPs 1-5, MDR1 and BCRP) in parallel with increased cellular efflux. Nrf2 silencing in HepG2 cells decreased constitutive and inducible expression of MRP2, MRP3 and ABCG2. However, Nrf2-silenced mouse hepatoma cells, Hepa1c1c7, and Nrf2-/- mice had decreased constitutive and/or inducible expression of Mrps 1-4, suggesting species differences in Nrf2-dependent regulation of hepatic ABC transporters. Protection by Nrf2 against BA and RA toxicities was confirmed by observations that Nrf2 silencing increased cell susceptibility to BA- and RA-induced cell death. Moreover, Nrf2-/- mice suffered more severe liver injury than the wildtype. Increased GSH and efflux activity following increased GCLM/GCLC and ABC transporters, respectively, can mitigate LCA toxicity. Activation of MEK1-ERK1/2 MAPK was shown to primarily mediate Nrf2 transactivation and LCA-induced expression of antioxidant proteins and Nrf2-dependent and -independent ABC transporters. In conclusion, Nrf2 activation by BA and RA led to coordinated induction of antioxidant and ABC proteins, thereby counteracting resultant oxidative cytotoxicity. The potential of targeting Nrf2 in management of BA and RA toxicities merits further investigation.