Nous proposons un modèle d’automate pour le cycle cellulaire lié à l’horloge circadienne. Ce modèle est utilisé pour déterminer la toxicité de différents schémas d’administration d’agents anticancéreux selon un profil temporel déterminé, dans le but d’optimiser l’efficacité de la chronothérapie des cancers. Fondé sur les transitions séquentielles entre les phases successives du cycle cellulaire G1, S (réplication de l’ADN), G2 et M (mitose), le modèle permet de simuler la distribution des phases du cycle cellulaire et son entraînement par l’horloge circadienne. Le modèle est utilisé pour évaluer l’effet du profil d’administration circadienne de deux agents anticancéreux, le 5-fluorouracile (5-FU) et l’oxaliplatine (l-OHP). Ces médicaments diffèrent par leur mode d’action mais sont complémentaires dans le traitement du cancer colorectal. Le 5-FU, considéré en premier, exerce ses effets cytotoxiques sur les cellules en phase S. Divers profils d’administration circadienne sont comparés, qui diffèrent par le temps du maximum d’administration du 5-FU. Le modèle explique pourquoi un minimum de cytotoxicité est obtenu lorsque le temps du pic d’administration approche 4h du matin, ce qui correspond au profil temporel d’administration utilisé en pratique clinique pour le 5-FU. Nous montrons comment la cytotoxicité de l’agent anticancéreux est affectée par la variabilité de la durée des phases du cycle cellulaire et par la durée du cycle cellulaire en présence et en absence d’entraînement par l’horloge circadienne. Les résultats indiquent qu’un même profil temporel d’administration peut avoir une cytotoxicité minimale pour une population cellulaire (correspondant à une population de cellules saines), et une cytotoxicité élevée pour une seconde population (correspondant à des cellules tumorales). Ainsi le modèle permet de mettre en lumière les mécanismes susceptibles d’améliorer simultanément la chronotolérance et la chronoefficacité des agents anticancéreux. Le cas de l’oxaliplatine (l-OHP) est considéré dans un second temps. Contrairement au 5-FU, l’oxaliplatine élimine les cellules quelle que soit sa phase dans le cycle cellulaire. La phamacocinétique des thiols plasmatiques et du glutathion intracellulaire est incorporée au modèle. Ces composés interfèrent avec l’action de l’OHP en formant des complexes inactifs. Le modèle montre comment des variations circadiennes dans la cytotoxicité de l-OHP peuvent résulter de rythmes circadiens dans les niveaux de thiols plasmatiques et de glutathion. En accord avec les résultats expérimentaux et cliniques, les simulations numériques du modèle d’automate pour le cycle cellulaire montrent que les profiles temporels minimisant la cytotoxicité de l’oxaliplatine sont en antiphase avec ceux minimisant la cytotoxicité du 5-fluorouracile./We propose an automaton model for the cell cycle coupled to the circadian clock. We use this model to assess the toxicity of various circadian patterns of anticancer drug delivery so as to enhance the efficiency of cancer chronotherapy. Based on the sequential transitions between the successive phases G1, S (DNA replication), G2, and M (mitosis) of the cell cycle, the model allows us to simulate the distribution of cell cycle phases as well as its entrainment by the circadian clock. We use the model to evaluate circadian patterns of administration of two anticancer drugs, 5-fluorouracil (5-FU) and oxaliplatin (l-OHP). These drugs, which differ by their mode of action, are complementary in the clinical treatment of colorectal cancer. We first consider the case of 5-FU, which exerts its cytotoxic effects on cells in S phase. We compare various circadian patterns of drug administration differing by the time of maximum drug delivery. The model explains why minimum cytotoxicity is obtained when the time of peak delivery is close to 4 a.m. which corresponds to the temporal pattern of administration used clinically for 5-FU. We also determine how cytotoxicity is affected by the variability in duration of cell cycle phases and by cell cycle length, in the presence or absence of entrainment by the circadian clock. The results indicate that the same temporal pattern of drug administration can have minimum cytotoxicity toward one cell population, e.g. of normal cells, and at the same time can display high cytotoxicity toward a second cell population, e.g. of tumour cells. Thus, the model allows us to uncover factors that may contribute to improve simultaneously chronotolerance and chronoefficacy of anticancer drugs. We next consider the case of oxaliplatin (l-OHP), which, in contrast to 5-FU, kills cells in different phases of the cell cycle. We incorporate into the model the pharmacokinetics of plasma thiols and intracellular glutathione, which interfere with the action of the drug by forming with it inactive complexes. The model shows how circadian changes in l-OHP cytotoxicity may arise from circadian variations in the levels of plasma thiols and glutathione. Corroborating experimental and clinical results, the numerical simulations of the automaton model for the cell cycle account for the observation that the temporal profiles minimizing l-OHP cytotoxicity are in antiphase with those minimizing cytotoxicity for 5-FU.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

La présente étude a investi les effets des lésions des systèmes monoaminergiques surles fonctions motrices et non-motrices, y compris l’évaluation des comportements anxieux etdépressifs ainsi que les rythmes circadiens dans le contexte de la maladie de Parkinson (MP).D’abord, nous avons mis en place un modèle animal approprié en utilisant une intoxication auParaquat/Maneb (PQ/MB) ou avec des lésions sélectives des systèmes monoaminergiques.Ensuite, nous avons caractérisé les modèles en utilisant des approches comportementale,biochimique et électrophysiologique.Dans la première partie de cette étude, nous avons investi la validité du modèle PQ/MB parévaluer les effets du PQ/MB sur : (1) l’activité locomotrice et la coordination motrice enutilisant les tests de l’Open Field et du Rotarod, (2) les comportements anxieux et dépressif enutilisant les tests du labyrinthe en croix surélevé et de la nage forcée respectivement, (3)l’activité neuronale du noyau sous-thalamique en utilisant des enregistrements extracellulairesunitaires et (4) les concentrations tissulaires en dopamine, noradrénaline et sérotonine dans lestriatum et le cortex frontal.Nos résultats montrent que les rats Sprague Dawley mâles ne sont pas sensibles de la mêmefaçon au PQ/MB et que les déficits moteurs observés chez les animaux vulnérables ne sont passeulement le résultat d’une dégénérescence des neurones dopaminergiques, mais pourraient êtreaussi une conséquence des problèmes périphériques. Néanmoins, les troubles non-moteursobservés chez les animaux de tous les groupes traités pourraient constituer une conséquencedirecte de la déplétion dopaminergique bilatérale.En se basant sur les résultats de la première partie, nous avons utilisé le modèle du rat 6-OHDApour investir les effets de dégénérescence des cellules dopaminergique seule ou combinée avecles déplétions noradrénergique et sérotoninergique sur l’activité électrique des neurones dunoyau suprachiasmatique (SCN) en utilisant des enregistrements électrophysiologiquesextracellulaires. Le SCN est une structure clé impliquée dans le contrôle des rythmescircadiens. Nos résultats montrent pour la première fois que les déplétions monoaminergiquessont à l’origine des changements dans l’activité électrique des neurones du SCN, apportant desrésultats nouveaux qui suggèrent que les changements dans la décharge électrique des SCN quiperturbent les rythmes circadiens font partie de la physiopathologie de la MP. / The present study aimed to investigate the effects of monoaminergic system lesionson the motor and non-motor functions, including anxiety, depression and circadian rhythmswithin the context of Parkinson’s disease. First, we developed appropriate animal models usingcombined paraquat/maneb (PQ/MB) intoxication or using selective lesions of monoaminergicsystems; second, we characterized the models using behavioral, biochemical andelectrophysiological approaches.In the first part of the study, we investigated the relevance of the PQ/MB model by studyingthe effects of combined PQ/MB on: (1) locomotor activity and motor coordination using theopen field and the rotarod test respectively, (2) anxiety and “depressive-like” behaviors usingthe elevated plus maze and the forced swim test respectively, (3) subthalamic nucleus neuronalactivity using extracellular single unit recordings and (4) tissue level of dopamine,noradrenaline and serotonin in the striatum and frontal cortex.Our data provide evidence that male Sprague Dawley rats are not equally sensitive to PQ/MBand that the observed motor deficits in vulnerable animals are not only a result of dopamineneuron degeneration, but may also be a consequence of peripheral disabilities. Nevertheless,the parkinsonian-like non-motor impairments may be a direct consequence of the bilateraldopamine depletion.Based on the results of the first part, we used the 6-OHDA rat model to investigate the effectsof DA cell degeneration, alone or combined with the noradrenaline (NA) and/or serotonin (5-HT) depletions, on the electrical activity of suprachiasmatic nucleus (SCN) neurons usingextracellular electrophysiological recordings. SCN is a key structure involved in the control ofcircadian rhythms. Our data provide the first evidence that monoamine depletions are at theorigin of changes in the firing activity of SCN neurons, suggesting new insight into theinvolvement of these electrical changes in the pathophysiology of circadian rhythms disruptionin PD.

Cette thèse démontre à travers de 11 publications que le vieillissement physiologique se caractérise par une atténuation à la fois du processus homéostasique du sommeil ainsi que des processus circadiens. Dans le vieillissement pathologique (les démences), les rythmes circadiens peuvent être davantage affaiblis. Les répercussions cognitives et psychologiques comprennent les processus de mémorisation d’une part, et nous avons pu démontrer d’autre part que le système circadien joue un rôle majeur sur le bien-­être du sujet âgé. Enfin, les troubles du sommeil augmentant également avec l’âge, nous avons démontré que des facteurs génétiques (APOE4, allèle s du 5-HTTLPR), peuvent agir en tant que modulateur des effets des troubles du sommeil (apnées du sommeil) sur la fonction cognitive. Pour l’allèle s du 5-­HTTLPR, nous avons décrit qu’il interagit avec des mesures biologiques du stress (cortisol) pour affecter la mémoire, probablement via un mécanisme impliquant l’hippocampe. / In this doctoral thesis and its 11 published manuscripts, we show that the physiological aging process is accompanied by an attenuation of the homeostatic sleep process as well as attenuated circadian processes. This weakening of circadian rhythms is even more pronounced during pathological aging (the dementias). Its cognitive and psychological repercussions include memory processes, and we have also demonstrated that the circadian system plays a major rôle on well-­being in older adults.Finally, sleep disorders increase with age, and we have shown that genetic factors such as APOE4 or the 5-­‐HTTLPR s allele act as moderators of sleep disorders’ effect (such as sleep apnea) on cognitive outcomes. For the 5-­‐HTTLPR s allele, we described its interactions with biological measures of stress (cortisol) to affect memory, probably via mechanisms implying the hippocampus.

Les rythmes biologiques aident les organismes vivants à programmer la plupart des processus comportementaux dans la fenêtre temporelle la plus appropriée. Les données de la littérature sur la rythmicité du chat domestique sont rares et conflictuelles. Pour approfondir nos connaissances sur le sujet, nous avons utilisé de récentes technologies de télémétrie pour enregistrer et caractériser les rythmes journaliers d'activité locomotrice et de prises alimentaire chez des chats en fonction des saisons et des conditions d’hébergement. Les rythmes des chats étaient modifiés par la photopériode et la présence humaine. Suivant une périodicité de 24 heures, ils ont affiché une bimodalité dans leurs rythmes quotidiens, avec des creux d'activité locomotrice et de consommation au milieu de la journée et de la nuit. Les deux périodes principales d'activité/alimentaires correspondaient à l'aube et au crépuscule à chaque saison, indépendamment de leur horaire, confirmant la nature intrinsèque crépusculaire de l'espèce. Le rythme alimentaire des chats était plus variable au cours du cycle que celui de leur activité locomotrice, rappelant ainsi le caractère opportuniste de ce prédateur. Les chats ont présenté une plasticité comportementale caractérisée par des rythmes plus faibles et un comportement d'exploration plus nocturne en milieu extérieur qu’en milieu intérieur, au sein duquel ils étaient plus enclins à la routine. Nos résultats ouvrent la voie au développement de solutions nutritionnelles et des recommandations d’hébergement adaptées aux rythmes du chat en respectant les besoins physiologiques de l’animal. / Biological rhythms are of importance for living organisms as they help to schedule most behavioural processes within the most suitable temporal window. Literature on daily rhythmicity is scarce and conflicting regarding domestic cats. To sharpen our knowledge on the subject, we used advanced telemetry technologies to record and characterise the daily rhythms of locomotor activity and feeding in cats according to the seasons and housing conditions. The cats were sensitive to photoperiod and to human presence. Along 24-hour periodicity, they displayed bimodality in their daily patterns, with mid-day and mid-night troughs of locomotor activity and food consumption. The two main activity/eating periods corresponded to dawn and dusk at each season, regardless of the twilight timings, confirming the crepuscular intrinsic nature of the species. The feeding rhythm of the cats was more variable daily than their locomotor activity one, recalling the opportunistic character of this predator. Cats displayed plasticity in their behaviour, such as weaker daily rhythms and more nocturnal exploratory behaviour outdoors, compared to indoors where they were more prone to routine. Our results open new avenues for developing nutritional and housing guidelines fitted to the rhythms of the cats according to their way of life.

Situé dans le noyau suprachiasmatique (SCN) de l’hypothalamus, l'horloge principale contrôle les rythmes des processus comportementaux et métaboliques chez les mammifères. Par exemple, les rythmes quotidiens de veille-sommeil, d'alimentation-jeûne, de glycémie, de tolérance au glucose et de sensibilité à l'insuline sont régulés par l'horloge SCN. La lumière est le synchroniseur principal du SCN, même si de nombreux facteurs autres que la lumière, tels que l'éveil comportemental ou des facteurs métaboliques, peuvent également moduler la phase ou la période des SCN. L'objectif de cette thèse était d'étudier différents aspects des interactions entre l'éveil comportemental, les rythmes circadiens et le métabolisme du glucose. Dans la première partie, nous avons déterminé l'action centrale du Gastrin-Releasing Peptide (GRP), un neuropeptide synthétisé dans le SCN, sur le métabolisme du glucose. Nos résultats indiquent qu’une injection icv de GRP induit une hyperglycémie prolongée. Nous avons également montré qu’une privation de sommeil à court terme conduit à une détérioration de la tolérance au glucose. Dans la deuxième partie, nous avons démontré que l'éveil comportemental induit par la privation de sommeil ou une injection de caféine améliore l’entraînement photique de l'horloge SCN chez un rongeur diurne : le rat roussard du Soudan, Arvicanthis ansorgei. Ces réponses circadiennes chez une espèce diurne qui sont opposées à celles précédemment mises en évidence chez les rongeurs nocturnes pourraient avoir des applications biomédicales. / Located in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN), the master clock generates rhythms of behavioural and metabolic processes in mammals. For example, daily rhythms of sleep-wake, fasting-feeding, plasma glucose concentration, glucose tolerance and insulin sensitivity are regulated by the SCN clock. Light is the primary synchronizer of SCN pacemaker though many light-independent factors such as behavioural arousal and metabolic cues also have phase and period resetting properties. The aim of thesis was to study different aspects of the interactions between behavioural arousal, circadian rhythms and glucose metabolism. In the first part, we extended the study of brain control of glucose metabolism by investigating the central action of gastrin-releasing peptide (GRP), a neuropeptide synthesized in the SCN, on glucose metabolism. Our result indicates that central GRP induces long-lasting hyperglycemia. We also showed that acute sleep deprivation leads to impaired glucose tolerance. In the second part, we demonstrated that behavioural arousal induced by sleep deprivation or caffeine treatment enhances photic-entrainment of the SCN clock in the diurnal Sudanian grass rat, Arvicanthis ansorgei. These circadian responses in a diurnal species are opposite to the earlier findings in nocturnal rodents and may have biomedical applications.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'algue unicellulaire Gonyaulax polyedra est notre modèle pour l'étude des mécanismes reliant l'horloge interne aux rythmes circadiens observés. La bioluminescence, présente lors de la phase de nuit, ainsi que la division cellulaire observée au début de la phase de jour sont les deux rythmes sur lesquels porte la présente étude. Chez Gonyaulax, la présence des protéines LBP et luciférase, limitée à la phase obscure, permet la production de lumière. Une régulation au niveau de la traduction par une protéine inhibitrice CCTR se fixant en région 3 de l'ARNm LBP permet l'expression cyclique de la protéine LBP in vivo chez Gonyaulax polyedra . La construction d'une banque d'ADNc dans un vecteur d'expression constitutive (le p425 GPD) représente l'outil nécessaire pour l'isolation d'un ADNc codant pour la protéine CCTR. Cette isolation repose sur un mécanisme moléculaire d'interaction in vivo de la protéine CCTR avec la région régulatrice de l'ARNm lbp annexée à un gène létal inductible (le gène GSP1) dans la construction du plasmide pCS7. La transformation de levure possédant le pCS7 avec la banque d'ADNc permettrait la production de CCTR actif dans la levure et ainsi l'inhibition de la traduction de l'ARNm GSP1 par fixation du CCTR à la région régulatrice de lbp. Le criblage d'une banque d'ADNc comportant 2,8 x 105clones a été effectué. La croissance de 127 colonies a été observée lors du premier criblage de la banque. Chaque colonie a été soumise à une extraction d'ADN plasmidique et les plasmides obtenus ont été utilisés pour une seconde transformation dans les levures porteuses du pCS7. Le second criblage nous a permis de constater qu'aucun de ces positifs ne peut produire une protéine CCTR fonctionnelle. Une contamination par des levures d'une autre souche ou par une source de carbone permettant la croissance (telle que le glucose), une présence de "révertants" ou le clonage d'un ADNc codant pour le facteur de sélection du pCS7 peuvent être à l'origine de ces "faux positifs" obtenus. La production de clones supplémentaires afin d'augmenter statistiquement les chances de représentation d'un gène impliqué dans la génération d'un rythme circadien, ainsi que la transformation répétée de la banque dans les mêmes cellules pour permettre de réunir les différentes composantes qui pourraient être nécessaires à la formation d'un CCTR actif, pourraient permettre d'isoler un ADNc codant pour une protéine CCTR active. Chez la majorité des dinoflagellés on observe la présence d'une phase S dans le cycle cellulaire. De plus, chez Gonyaulax, la division cellulaire est limitée à l'aurore. Il est donc probable que la protéine kinase p34œk2qui régule la formation de l'hétérodimère MPF (impliqué dans l'initiation de la division cellulaire) soit également sujette à une régulation par l'horloge circadienne. L'isolation d'un homologue de la protéine kinase p34ede2repose sur une technique de clonage par compensation d'une mutation. Les levures de la souche cdc28 ne peuvent se diviser normalement à température restrictive de 34°C à cause d'une mutation thermosensible de la protéine kinase p34edc2. La transformation de la banque d'ADNc construite dans des levures de cette souche, puis l'incubation à température restrictive, permet le criblage pour un homologue de la p34cdc2. Le premier criblage de la banque a permis la croissance de sept colonies qui ont toutes été soumises à une extraction d'ADN plasmidique puis à une retransformation dans les cellules de la souche cdc28. Aucun des positifs n'a franchi le seuil de ce second test. Le criblage de clones supplémentaires ou encore le criblage pour un homologue de la cycline (la seconde composante du MPF) pourrait permettre d'isoler directement ou indirectement l'homologue de la p34cdc2.

Ce travail avait pour objet d’étudier les propriétés d’horloge et de synchronisation de la peau, un modèle potentiel d’horloge périphérique. L’activité rythmique a été analysée par bioluminescence en temps réel, sur des explants de peau abdominale et des fibroblastes dermiques primaires, isolés à partir de rats transgéniques Per1-luciférase. Nous avons montré que des explants de peau présentent une activité rythmique soutenue en culture, indiquant une importante synchronisation interne dans le tissu. Cette synchronisation se manifeste au cours du développement post-natal à partir de 1 mois et augmente jusqu’à 6 mois, avant de décroître, laissant place à des rythmes altérés à l’âge de 2 ans. Nous avons aussi établi que les fibroblastes dermiques présentent la propriété de compensation thermique commune à toutes les horloges circadiennes, et qu’ils sont potentiellement synchronisables par la mélatonine puisque celle-ci augmente leur amplitude en culture. Nous avons aussi préparé un vecteur lentiviral exprimant le gène rapporteur luciférase sous le contrôle du promoteur du gène horloge Bmal1, un nouvel outil pour compléter l’étude des rythmes dans les cellules de la peau. / This work aimed to investigate the skin as a potential model of peripheral clock by characterizing its rhythmic and synchronization properties. Circadian activity was examined in abdominal skin explants and fibroblasts derived from Per1-Luciferase transgenic rats by real-time recording of bioluminescence. First, the skin clock was characterized from early postnatal to old age. Low amplitude oscillations appeared at 1 month only and their robustness increased until 6 months. In 1-2 year-old rats, skin circadian rhythms showed decreasing amplitude and abnormal cycles. Primary fibroblasts derived from the skin at the same ages demonstrated similar pattern of clock activity. Temperature compensation, an intrinsic clock feature, was shown the first time in skin and primary fibroblasts. Secondly, we demonstrated a phase-dependent effect of melatonin to increase the amplitude of oscillations in skin primary fibroblasts, indicating it displays a synchronising role in the circadiansystem. Finally, to facilitate our studies on the multioscillatory skin tissue, we constructed a lentivirus carrying a Bmal1-luciferase reporter, to measure clock genes activities in human skin cells.

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Après un tour du monde des Habitats Intelligents pour la Santé (HIS), nous décrivons la mise en place du système grenoblois développé au laboratoire TIMC : le Système d'Information Domotique-Santé Intégré à Domicile (SID²). Nous faisons l'hypothèse que les rythmes biologiques et sociaux sont liés au comportement, et donc à l'activité physique, que nous mesurons par le déplacement du sujet d'observation au sein de l'habitat. Nous créons le terme " Rythmes Circadiens d'Activité " (RCA) pour faire référence à la mesure comportementale de l'activité des patients dans l'habitat. Le système SID² est composé d'un HIS externe relié à Internet, et d'un HIS local, objet de ce document. L'HIS local effectue la surveillance multi-paramétrique et auto-apprend les habitudes de vie d'un patient à domicile à travers le calcul des RCA, de façon à détecter une évolution anormale de son comportement sur le long terme. Un simulateur a été développé pour valider le système.