La saline de Sfax est un milieu hypersalin localisé dans la zone centrale de la côte est de Tunisie. Dans ce travail, nous avons isolé, identifié, et caractérisé des souches halophiles produisant des peptides antimicrobiens (halocines), afin de mieux comprendre leur rôle dans les interactions microbiennes au sein des milieux hypersalins. Deux étangs salins (TS18, 390 g.L-1 NaCl et M1, 200 g.L-1 NaCl) ont été choisis pour l’échantillonnage. Trente-cinq souches de procaryotes halophiles ont été isolées et caractérisées, dont 11 ont présenté une activité antimicrobienne. Parmi ces souches, 3 produisent des substances antimicrobiennes de nature protéique. A l’aide de PCR et RT-PCR nous avons montré que les souches Halobacterium salinarum ETD5 et ETD8 exprimaient le gène de l’halocine S8, un peptide de 3,6 kDa préalablement purifié d’une souche S8a non identifiée. Le peptide a été purifié à partir de cultures de la souche Hbt. salinarum ETD5. Après purification bioguidée, les fractions actives révèlent deux bandes de 8 et 14 kDa présentant une activité antimicrobienne. L’analyse par séquençage Nterminal et spectrométrie de masse a permis d’identifier ces deux halocines. La bande de 8 kDa correspond à une halocine S8 de 81 acides aminés qui subirait une maturation post-traductionnelle protéolytique différente de celle initialement décrite dans la littérature. Le clonage et le séquençage du gène codant le précurseur de l’halocine S8 démontrent que la séquence est identique chez les deux souches ETD5 et S8a. La bande de 14 kDa correspond à une nouvelle halocine, l’halocine S14. L’halocine S14 correspond à une forme tronquée en partie N-terminale de la Mn-superoxyde dismutase (SOD) d’Hbt. salinarum. Il pourrait s’agir d’évolution divergente d’un gène codant deux protéines distinctes, ou d’une maturation différente de la SOD. Ce travail permettra de mieux connaître les molécules intervenant dans les interactions microbiennes dans les milieux hypersalins, des milieux extrêmes susceptibles de révéler des structures et des modes d’action originaux. / The solar saltern of Sfax is a hypersaline located in the central area of the eastern coast of Tunisia. In this study, we isolated, identified, and characterized halophilic strains producing antimicrobial peptides (halocins), aiming to understand their role in microbial interactions in hypersaline environments. Two ponds (TS18, 390 g.L-1 NaCl and M1, 200 g.L-1 NaCl) were selected for sampling. Thirty-five halophilic strains have been isolated and characterized, among which 11 displayed antimicrobial activity. Three of them produced antimicrobial substances of proteinaceous nature. Using PCR and RT-PCR, we have demonstrated that Halobacterium salinarum ETD5 and ETD8 express the gene encoding halocin S8, a 3.6 kDa peptide previously isolated from a strain S8 unidentified. The peptide was purified from cultures of strain Hbt. salinarum ETD5. Following bioguided purification, the active fractions revealed two protein bands of 8 and 14 kDa exhibiting antimicrobial activity. N-terminal sequencing and mass spectrometry analyses allowed identification of these two halocins. The 8 kDa band corresponds to halocin S8, undergoing a different proteolytic post-translational processing from that originallydescribed. Cloning and sequencing of the gene encoding the precursor of halocin S8 showed that the sequence is identical for both strains ETD5 and S8a. The 14 kDa band is a new halocin termed halocin S14. Halocin S14 corresponds to an N-terminally truncated portion of the archaeal Mnsuperoxide dismutase (SOD). This could result from divergent evolution of a gene encoding two distinct proteins, or a different post-translational processing of SOD. Our study helps to better understand which molecules are involved in microbial interactions within hypersaline environments and and how they contribute to the competitions in such extreme environments, which are susceptible to give rise to original structures and modes of action.

Au niveau des artères intrapulmonaires (AIP) de rats sains, la connexine 43 (Cx43) située au niveau de la jonction myoendothéliale (JME) intervient dans la réactivité à la 5-HT. La 5-HT produit de l’anion superoxyde (O2•) au niveau du muscle lisse et du monoxyde d’azote (NO) au niveau de l’endothélium des AIP. La Cx43 permet alors le passage de l’O2• du muscle lisse vers l’endothélium de façon à diminuer la biodisponibilité du NO et maintenir une contraction physiologique de l’artère pulmonaire. Cependant, l’augmentation d’O2• par d’autres agonistes vasoconstricteurs tels que l’endothéline-1 (ET-1) et la phényléphrine (PHE) et les mécanismes impliqués dans cette augmentation restent encore méconnus dans la circulation pulmonaire. Ainsi, ce travail vise à identifier les agonistes qui provoquent une augmentation de la quantité d’O2• et à mettre en évidence les voies de signalisation mises en jeu au niveau des AIP de rats. Par ailleurs, la Cx43 étant impliquée dans la réactivité des AIP de rats sains à la 5-HT, le rôle de la Cx43 dans la circulation pulmonaire pathologique a été étudié à l’aide d’un modèle de souris hétérozygote pour la Cx43 (souris Cx43+/-) souffrant d’hypertension pulmonaire (HTP) hypoxique chronique (HC). Nous avons montré que l’augmentation d’O2•au niveau des AIP est un mécanisme exclusif de la 5-HT. Cette augmentation provient uniquement d’une augmentation de production par la mitochondrie et les NADPH oxydases via un mécanisme de « ROS-induced ROS release » dépendant de la PKC. La 5-HT agit par le biais des récepteurs 5-HT2A, induit un influx calcique extracellulaire qui augmente la concentration calcique mitochondriale provoquant une augmentation de production d’O2• par le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale. De plus, cette voie s’exerce au sein des microdomaines de signalisation, notamment les cavéoles. D’autre part, chez les souris Cx43+/- HTP HC le remodelage des AIPest inhibé et l’hypertrophie ventriculaire droite est freinée. La vasoréactivité des AIP à la 5-HT, à l’ET-1 et à la PHE est modifiée chez les souris Cx43+/- saines et HTP HC par rapport aux souris sauvages. Ces données apportent (1) des éléments de compréhension sur les voies de signalisation mises en jeu dans la production d’O2• en réponse à la 5-HT dans la circulation pulmonaire de rats sains et (2) de connaissances nouvelles sur le rôle de la Cx43 dans les AIP de souris saines et souffrant d’HTP HC. / Under physiological conditions, in rat intrapulmonary arteries (IPA), connexin 43 (Cx43) localised at the myoendothelial junctions is involved in the reactivity to serotonin (5-HT). 5-HT increases superoxide anion (O2•) in the smooth muscle and nitric oxide (a vasodilator) in the endothelium. O2• will then rapidly pass through Cx43 to scavenge endothelial NO to decrease the bioavailability of the latter and hence maintain IPA contraction in physiological conditions. However, to date, the increase in O2• level by other contractile agonists such as endothelin-1 (ET-1) and phenylephrine (PHE) and the mechanism involved in this increase are still unknown in the pulmonary circulation. The goal of this present work is to identify the contractile agonists involved in the increase of O2• and to highlight the signaling pathways involved in the agonists-induced increase of O2•. As Cx43 plays an important role in IPA contractile reactivity to 5-HT in healthy rats, the role of Cx43 under pathological conditions of the pulmonary circulation has been studied with a mice model heterozygous for Cx43 (Cx43+/-) suffering from hypoxic pulmonary hypertension (HPH). We have shown that O2• increase in rat IPA is exclusive to 5-HT. 5-HT-induced O2• increase in rat IPA is only from an increase in production by the mitochondria and NADPH oxydase via a ROS-induced ROS release mechanism dependent on PKC. Upon binding to 5-HT2A receptors, 5-HT induces an extracellular calcium influx which is responsible for an increase in mitochondrial calcium level and causes an upregulation in O2• production by the complex I of the mitochondrial respiratory chain. Moreover, this signaling pathway takes place in specialized microdomains, namely caveolae. On the other hand, interestingly, in Cx43+/- HPH mice, IPA remodeling is inhibited and right ventricular hypertrophy is less intense. IPA vasoreactivity to 5-HT, ET-1 and PHE is modified in Cx43+/- healthy and HPH mice as compared to wild type mice. These data bring (1) new elements of comprehension in the signaling pathways involved in 5-HT-induced O2• production in healthy rat pulmonary circulation and (2) new insights on the role of Cx43 in mice IPA under physiological and HPH conditions.

Le superoxyde O2●- est une espèce réactive de l’oxygène produite par de nombreux métabolismes chez les espèces vivant en condition aérobie. Ses propriétés radicalaires font de O2●- une espèce très réactive capable d’endommager les macromolécules présentes dans les cellules, conduisant entre autre au stress oxydant et à de possibles troubles neurodégénératifs. Pour se protéger, la Nature utilise des enzymes, appelées superoxydes dismutases (SOD), qui sont chargées de catalyser la dismutation du superoxyde en oxygène et peroxyde d’hydrogène. La dernière qui fut découverte est la NiSOD qui comporte un ion nickel dans son site actif. Contrairement aux autres types de SOD, celle-ci n’est pas présente chez l’homme et ne l’est que chez certaines bactéries comme Chlamydiae. Ainsi, cibler la NiSOD est une méthode prometteuse pour le développement de nouveaux antibiotiques. De même, le développement de nouveaux complexes biomimétiques des SOD peut conduire à de nouveaux agents thérapeutiques contre les maladies liées au stress oxydant. Notre projet consiste à développer de nouveaux modèles actifs de la NiSOD, avec comme stratégie l’utilisation de ligands peptidiques. Les deux principaux objectifs sont (1) de développer des catalyseurs de type SOD, actifs dans l’eau, mais aussi (2) d’acquérir des informations supplémentaires sur le mécanisme mis en jeu lors de la catalyse par la NiSOD, afin de mettre en évidence les intermédiaires clés et les différences majeures entre la NiSOD et les autres SODs présentes chez l’homme. Nos résultats montrent qu’une bonne activité catalytique peut être obtenue même avec une sphère de coordination différente de celle de l’enzyme, et mettent en évidence des facteurs clés pour l’activité. De plus, des études mécanistiques tendent à montrer un mécanisme en sphère interne pour la réduction du superoxyde. / The superoxide radical anion, O2●-, is generated by many life processes. Its radical properties make it a highly reactive species able to damage all macromolecules contributing to the pathogenesis of many diseases including neurodegenerative disorders. In order to protect cells against O2●-, Nature uses superoxide dismutases (SODs) which catalyze the dismutation of O2●- into hydrogen peroxide and oxygen. The last discovered SOD contains a nickel cofactor. Importantly the NiSOD is found in several pathogenic bacteria but not in humans. Therefore targeting the NiSOD is a promising approach to develop antibiotics. Secondly, the development of novel SOD mimics may have potential uses as therapeutic agents in oxidative stress-related diseases. Our project aims at developing innovative active NiSOD mimics, based on the use of peptide-based ligands with two main objectives: (i) to develop efficient SOD like catalysts, active in water, displaying antioxidant properties for potential therapeutic applications and (ii) to contribute to the full understanding of the catalytic mechanism of the NiSOD to highlight the specific key elements that differentiate NiSOD from the human MnSOD for the design of potential antibiotics. Our results show that, even with a coordination sphere different from the one in the enzyme, a good catalytic activity can be obtained. Key elements for the activity are also determined. Moreover, mechanistic studies indicates an inner sphere mechanism for superoxide reduction.

Les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin sont caractérisées par une inflammation anormale et récurrente du tractus digestif. De nombreuses études ont démontré des effets bénéfiques de souches probiotiques anti-inflammatoires recombinantes ou non. La première partie de cette thèse décrit différentes stratégies d'optimisation de souches de bactéries lactiques en tant que vecteurs de protéines d'intérêt santé. Nous avons ainsi démontré qu'une modification du peptidoglycane de la paroie de Lactococcus lactis influençant la lyse bactérienne ne permettait pas de moduler l'immunogénicité de l'antigène E7 délivré par L. lactis. Nous avons également démontré que la nature du vecteur bactérien était un paramètre essentiel dans la vectorisation de la protéine délivrée : ainsi l'espèce Bifidobacterium infantis induit une réponse immunitaire spécifique à l'antigène E7 supérieure à celle obtenue avec les vecteurs L. lactis et Lactobacillus plantarum. La deuxième partie de cette thèse porte sur l'étude des effets anti-inflammatoires de bactéries recombinantes ou non. Nous avons ainsi démontré que la souche Lb. casei BL23 produisant une superoxyde dismutase à manganèse permettait de diminuer significativement des colites murines induites par administration de dextran sodium sulfate. Enfin, nous avons mis en évidence des propriétés anti-inflammatoires sur divers modèles d'inflammation in vitro / in vivo de Faecalibacterium prausnitzii, première bactérie commensale anti-inflammatoire identifiée sur la base de données cliniques humaines.

Le complexe NADPH oxydase est un élément essentiel de l’immunité inné. Présent dans les cellules phagocytaires (neutrophile), sa fonction est de produire massivement, dans le phagosome, des anions superoxyde et générer ainsi des espèces encore plus réactives de l’oxygène qui vont détruire acides nucléiques, lipides et protéines des bactéries phagocytées. Le cœur membranaire catalytique du complexe NADPH oxydase est constitué d’un hétérodimère membranaire, le cytochrome b₅₅₈ (Cyt b₅₅₈). Après activation de celui-ci par les partenaires protéiques cytosoliques p47phox, p67phox, p40phox et Rac, une succession de réactions de transferts d’électron de part et d’autre de la membrane a lieu au sein du Cyt b₅₅₈ pour aboutir à la réduction du dioxygène de manière très contrôlée. Afin de mieux comprendre cette régulation, nous nous sommes d’abord intéressés aux stéreoisomères trans de l’acide arachidonique, activateur naturel de cet enzyme (cis), sur le fonctionnement de la NADPH oxydase et avons abordé cette étude parallèlement sur du Cytb₅₅₈ d’origine bovine présent dans des membranes de neutrophiles et dans des membranes de levures exprimant le Cytb₅₅₈ de manière hétérologue. Nous avons montré que la géométrie joue un rôle important sur l’activation du complexe enzymatique. Dans un deuxième temps, afin d’étudier le rôle de l’environnement membranaire sur le fonctionnement de la NADPH oxydase, nous avons déterminé les propriétés cinétiques et thermodynamiques de l’activité NADPH oxydase du Cytb₅₅₈ recombinant exprimé en levures, purifié, puis reconstitué en liposomes de composition lipidique variée. Après comparaison avec ces mêmes propriétés obtenues pour le Cytb₅₅₈ dans les membranes plasmiques et du réticulum endoplasmique de levures, nous avons montré que l’activité NADPH oxydase très sensible à la température peut être modulée par la composition et l’état physique de la membrane. / NADPH oxidase complex is a major actor of both antimicrobial host defense and inflammation by generating highly regulated superoxide anion, rapidly converted into reactive oxygen species (ROS). The NADPH oxidase complex consists of a heterodimeric integral membrane flavocytochrome b₅₅₈ and three cytosolic components p67phox, p47phox and p40phox, and the small GTP binding protein Rac. In response to a cellular stimulus, cytosolic proteins are recruited to the phagosomal membrane where they are assembled with the Cytb₅₅₈ to form the active NADPH oxidase. The aim of the work was to better understand the modulation of superoxide anion production by this enzyme. For this purpose, we performed experiments with both bovine neutrophil membranes and yeast membranes expressing the bovine recombinant Cytb₅₅₈. We first investigated the effect of the trans-isomerization of the cis-arachidonic acid, the activator of NADPH oxidase in vitro and showed that specific geometry of the activator plays an important role in the activation of the complex. We also studied the role of the membrane environment on the functioning of NADPH oxidase and determined the kinetics and thermodynamics of NADPH oxidase activity depending on the lipid composition of Cytb₅₅₈ proteoliposomes. Comparison with these properties obtained with recombinant Cytb₅₅₈ embedded into endoplasmic reticulum and plasma membranes, we showed that the NADPH oxidase activity is highly temperature dependent and can be modulated by the lipid environment and the physic state of the membrane.

Des études d'associations pangénomiques ont démontré une relation entre le taux plasmatique de la vitamine B12 et le polymorphisme du gène FUT2 (fucosyltransferase 2). Dans des modèles expérimentaux, le statut sécréteur pour FUT2 a été impliqué dans la susceptibilité à l'infection par Helicobacter pylori (H. pylori). Nous avons évalué l'influence du polymorphisme FUT2 461 G>A sur les marqueurs du métabolisme des monocarbones dans deux populations ambulatoires en Europe et en Afrique de l'Ouest ainsi que la possible association entre l'infection par H. pylori et le polymorphisme de FUT2. Nous avons mis en évidence une influence de FUT2 461 G>A sur le taux plasmatique de la vitamine B12 mais n'avons pas retrouvé d'influence du statut sérologique pour H. pylori sur cette association, du moins chez les sujets ambulatoires en Europe et en Afrique de l'Ouest. L'hyperhomocystéinémie est un marqueur de carence en donneurs de méthyle. Plusieurs travaux ont évalué le taux plasmatique de l'homocystéine au cours des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) et ont abouti à des résultats mitigés. Par ailleurs, l'ampleur de l'association entre le métabolisme de l'homocystéine et les MICI reste méconnue. Nous avons réalisé une méta-analyse afin : (i) d'évaluer l'association entre le métabolisme de l'homocystéine et les MICI et (ii) d'étudier le risque de thrombose lié à l'hyperhomocystéinémie au cours des MICI. Le risque d'hyperhomocystéinémie était significativement plus élevé chez les patients avec une MICI en comparaison aux sujets contrôles. L'évaluation du risque de thrombose associé à l'hyperhomocystéinémie au cours des MICI requiert des études complémentaires. Un statut carencé en folates était associé à un impact plus fort du polymorphisme MTHFR C677T sur le risque primaire de MICI. L'hyperhomocystéinémie et plusieurs polymorphismes sur les gènes du métabolisme des monocarbones sont associés au risque primaire et à la sévérité de la maladie de Crohn (MC). L'hyperhomocystéinémie augmente l'activité de la superoxyde dismutase (SOD), un marqueur fiable et validé du stress oxydatif. A l'aide d'un SNP array Illumina exhaustif du métabolisme des monocarbones, nous avons (i) étudié les déterminants génétiques (single nucleotide polymorphisms, SNPs) associés au taux plasmatique de l'homocystéine et de la SOD chez des patients suivis pour une MC et (ii) recherché les SNPs associés à l'âge du diagnostic de la MC. Deux SNPs étaient indépendamment associés au taux plasmatique de l'homocystéine (MTHFR, AHCY). Cinq SNPs étaient indépendamment associés au taux plasmatique de la SOD. Parmi ces cinq SNPs, trois sont liés à la vitamine B12 (FUT2, CUBN, et TCN2), un aux folates (GGH), et un dernier à la synthèse cellulaire de l'homocystéine (AHCY). Par ailleurs, nous avons mis en évidence deux SNPs associés à un âge précoce du diagnostic de la MC (CHDH, ABCB1). / Genome wide association studies demonstrated an association between plasma vitamin B12 and FUT2 (fucosyltransferase 2). It has been suggested that the association between FUT2 and low plasma vitamin B12 level may be the consequence of an increased susceptibility to Helicobacter pylori (H. pylori) infection. We evaluated the association between FUT2 461G>A polymorphism and vitamin B12 and investigated whether the influence of FUT2 on H. pylori serology is part of the mechanisms that underlie this association, in two populations from Europe and West Africa. In this study we confirmed the influence of FUT2 461 G>A polymorphism on plasma vitamin B12 level and found no influence of H. pylori serological status on this association, at least in ambulatory subjects from Europe and West Africa. The magnitude of the association between homocysteine metabolism and inflammatory bowel diseases (IBD) is unknown while the association between hyperhomocysteinemia and thrombosis remains controversial in IBD. We conducted a systematic review of the literature and performed a meta-analysis to examine these issues. The risk of hyperhomocysteinemia is significantly higher in IBD patients when compared to controls. The risk assessment of hyperhomocysteinemia-related thrombosis in IBD requires further investigation. Deficient folate status is associated with a higher impact of MTHFR C677T polymorphism on IBD risk. Hyperhomocysteinemia and several gene variants of one-carbon metabolism are associated with the occurrence and severity of Crohn's disease (CD). Hyperhomocysteinemia results in part from methyl donors deficiency - which is frequent in patients with CD - and increases the activity of superoxide dismutase (SOD), a validated and reliable marker of oxidative stress. We designed a 384-plex GoldenGate oligo pool assay for the comprehensive one-carbon metabolism genotyping using Illumina platform. The aims of this study were (i) to assess genetic determinants of plasma homocysteine and superoxide dismutase (SOD) levels in patients with IBD and (ii) to look for single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with age at CD onset. Two SNPs were associated with plasma homocysteine level (MTHFR, AHCY). Five SNPs were independently associated with plasma SOD level. Of these five SNPs, three are related to vitamin B12 (FUT2, CUBN, and TCN2), one is related to folate (GGH), and the last one to homocysteine (AHCY). In addition, we identified two SNPs associated with early CD onset (CHDH, ABCB1)

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie. / Glaucoma is the second cause of irreversible blindness worldwide. Loss of vision in glaucoma is accompanied by progressive optic nerve degeneration and selective loss of retinal ganglion cells (RGCs). Ocular hypertension is a major risk factor in glaucoma, but visual field defects continue to progress in a large group of patients despite the use of drugs that lower intraocular pressure (IOP). Therefore, although IOP is the sole modifiable risk factor in the development of glaucoma, its regulation is not sufficient to protect RGCs and preserve visual function in many affected patients. To address this issue, I put forward the central hypothesis that effective therapeutic strategies for glaucoma must interfere with molecular mechanisms that lead to RGC death to successfully promote structural and functional protection of these neurons. In the first part of my thesis, I characterized the neuroprotective effect of galantamine, an acetylcholinesterase inhibitor that is clinically used for the treatment of Alzheimer’s disease. The specific hypothesis of this study was that galantamine, by modulating acetylcholine receptor activity, can improve the survival of injured RGCs in glaucoma. A well characterized experimental model of ocular hypertension induced by administration of a hypertonic saline into an episcleral vein of Brown Norway rats was used. The results of this study (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) demonstrated that daily administration of galantamine significantly improved the survival of RGC soma and axons in this model. Structural protection of RGCs correlated with substantial preservation of visual function, assessed by recording visual evoked potentials (VEPs) from the superior colliculus, the primary target of RGCs in the rodent brain. An interesting finding during the course of my thesis was that there is a substantial loss of retinal capillaries and a reduction in retinal blood that correlates with RGC loss in experimental glaucoma. Interestingly, galantamine also promoted the protection of the microvasculature and improved retinal blood flow in ocular hypertensive animals (Almasieh et al. in preparation). Importantly, I demonstrated that galantamine-mediated neuro- and vasoprotection occur through activation of muscarinic acetylcholine receptors. In the second part of my thesis, I investigated the role of oxidative stress and the use of reducing compounds to test the hypothesis that blockade of a superoxide burst may delay RGC death in experimental glaucoma. I took advantage of a novel phosphinevi borane based antioxidant compound available to us (PB1) to investigate its neuroprotective effect and mechanism of action in experimental glaucoma. The data demonstrate that intraocular administration of PB1 resulted in significant protection of RGC soma and axons. I also explored the molecular pathways leading to PB1-mediated neuronal survival by analyzing the components of survival and apoptotic signaling pathways involved in this response. My results show that PB1-mediated RGC survival did not correlate with inhibition of stress-activated protein kinase signaling, including ASK1, JNK or p38. Instead, PB1 led to a striking increase in retinal BDNF levels and downstream activation of the pro-survival ERK1/2 pathway (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). In conclusion, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC loss in glaucoma and might provide insights into the design of novel neuroprotective and vasoprotective strategies for the treatment and management of this disease.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'anion superoxyde peut agir comme une molécule de signalisation ou comme un facteur préjudiciable selon sa concentration, l'organe cible, et selon la présence ou non d'antioxydants neutralisants. Actuellement, dans les cellules musculaires lisses (CMLs) vasculaires, les effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de transduction du signal et sur les interactions croisées entre ces voies ne sont pas encore définies. Par conséquent, une meilleure connaissance des effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de signalisation pourrait fournir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents aux fonctions altérées des CMLs vasculaires observées dans des conditions pathologiques. L'objectif général de cette étude était de caractériser et d'évaluer le rôle modulateur de l'anion superoxyde, produit par la réaction de l'hypoxanthine avec la xanthine oxidase, sur les activités de différentes voies de signalisation dans les CMLs vasculaires, et de déterminer si la sensibilité de différentes voies de signalisation à l'anion superoxyde était altérée dans l'hypertension artérielle. Le projet de ce programme de recherche était basé sur les principaux postulats suivants : (1) l'anion superoxyde pourrait affecter sélectivement la production d'inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), de GMPc, ou d'AMPc dans les CMLs vasculaires; (2) le rôle modulateur de l'anion superoxyde pourrait être dû à une altération des interactions croisées entre différentes voies de signalisation; et (3) les anomalies observées dans les CMLs vasculaires chez le rat spontanément hypertendu (SHR) pourraient être reliées à des altérations des différentes voies de signalisation induites par l'anion superoxyde. Une production augmentée d'1P3induite par l'anion superoxyde dans les CMLs d'aorte de rat ou d'artère mésentérique en culture a été démontrée pour la première fois dans cette étude. L'anion superoxyde a augmenté la formation d'IP3d'une manière concentration-dépendante et temps-dépendante. La superoxyde dismutase (SOD), mais non la catalase, a inhibé significativement la formation d'IP3 induite par l'anion superoxyde. L'inhibition de la phospholipase C (PLC) a aboli l'effet de l'anion superoxyde sur la formation d'1P3. La génistéine et la tyrphostine A25, deux inhibiteurs de la tyrosine kinase, ont aussi inhibé significativement la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde. L'utilisation d'anticorps anti-PLCy a atténué significativement la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde. De plus, le taux d'expression des protéines de la PLCy a été augmenté après l'exposition des CMLs à l'anion superoxyde. Ces observations suggèrent donc que dans les CMLs vasculaires la formation d'1P3 induite par l'anion superoxyde pourrait être en grande partie secondaire à une augmentation de l'activité de la tyrosine kinase liée aux voies de signalisation de la PLCy. En ce qui concerne la voie du GMPc, l'anion superoxyde a diminué significativement les niveaux de base de GMPc et supprimé aussi l'augmentation des niveaux de GMPc induite par des stimulateurs de la guanylyl cyclase, le nitroprussiate de sodium (NPS) ou la s-nitroso-nacétylpénicillamine (SNAP). La formation d'1P3stimulée par l'anion superoxyde a été significativement inhibée par le NPS ou la SNAP, mais potentialisée de façon importante par un inhibiteur de la guanylyl cyclase l'ODQ ou par le KT5823 (un inhibiteur de la protéine kinase dépendant du GMPc). Cependant, l'anion superoxyde n'a pas eu d'effet sur les niveaux de base d'AMPc ou sur la production d'AMPc induite par la forskoline et de plus, l'inhibition de l'adénylyl cyclase ou de la protéine kinase dépendante de l'AMPe n'a pas affecté la formation d'lP3stimulée par l'anion superoxyde. Ces données, par conséquent, suggèrent que l'inhibition de la formation de GMPc par l'anion superoxyde contribue probablement à l'activation de la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde en atténuant le rétrocontrôle inhibiteur du GMPc sur les voies de signalisation liées à la PLC, tandis que la voie de signalisation de l'AMPc ne serait pas impliquée dans la formation d'EP3induite par l'anion superoxyde. Dans les CMLs vasculaires de rat SHR, les effets de l'anion superoxyde ont été plus puissants que dans les CMLs de rat WKY, en ce qui concerne l'augmentation de formation d'1P3, la diminution des taux de GMPc et la facilitation induite par l'anion superoxyde des interactions croisées entre les voies du GMPc et de 1'IP3. Dans les CMLs vasculaires des deux souches de rat, la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde a été inhibée par une variété d'antioxydants, dont la N-acétylcystéine, l'acide a-lipoïque, la mélatonine et la SOD. Il apparaît donc vraisemblable que l'hypersensibilité à l'anion superoxyde des voies de 1'IP3et du GMPc puissent contribuer à l'augmentation du tonus vasculaire et de la réactivité des CMLs dans l'hypertension artérielle. Nous avons aussi investigué si l'effet de la mélatonine était dû à ses propriétés antioxydantes. Un effet inhibiteur plus important de la mélatonine sur la contraction aortique induite par la norépinéphrine (NE) a été observé chez les rats SHR en comparaison avec les rats Wistar-Kyoto (WKY). L'inhibition par la mélatonine de la formation d'IP induite par la NE a été aussi plus importante dans les CMLs aortiques de rat SHR que dans celles de rat WKY. Les effets plus puissants de la mélatonine chez le rat SHR, qui ont été aussi observés avec la SOD, mais non avec la catalase, ne sont pas dûs à l'activation des récepteurs à la mélatonine ou des récepteurs a-adrénergiques. Ces résultats indiquent que les effets anti-hypertenseurs de la mélatonine sont largement dûs à l'inactivation de l'anion superoxyde, et que les niveaux endogènes d' antioxydants ne parviennent pas à contrecarrer les niveaux accrus d'anion superoxyde produits chez le rat SHR. En conclusion, cette étude révèle une variété de nouveaux mécanismes de signalisation de l'anion superoxyde. Pour la première fois, il a été démontré que l'anion superoxyde active l'hydrolyse des phosphoinositides et augmente les taux d'IP3dans les CMLs vasculaires, principalement par la stimulation de la tyrosine kinase liée à la voie de signalisation de la PLCy. Il a aussi été observé que l'anion superoxyde réduit la formation de GMPc et supprime l'inhibition croisée de 1'1P3par le GMPc, facilitant ainsi la formation d'1P3. Les effets sélectifs de l'anion superoxyde sur les voies de 1'IP3et du GMPc, ainsi que l'existence d'une inhibition croisée de la formation d'1P3par la voie du GMPc, révèlent des mécanismes nouveaux pour expliquer le rôle modulateur de l'anion superoxyde sur les voies de signalisation dans les CMLs. Par conséquent, les effets plus puissants de l'anion superoxyde sur la signalisation de la voie de 1'IP3et de la voie du GMPc dans les CMLs vasculaires de rat SHR, effets qui ont été démontrés pour la première fois dans cette étude, pourraient être responsables des altérations des mécanismes de transduction du signal cellulaire chez le rat SHR et ainsi contribuer au développement et/ou au maintien de l'hypertension artérielle. Ces observations permettent donc d'imaginer de nouvelles orientations pour le développement de nouvelles stratégies pour la prévention ou le traitement de l'hypertension artérielle. / Superoxide anion can act as a signalling molecule or a detrimental factor depending on its concentration, the targeted organ, and the presence of counteracting antioxidants. The effects of superoxide on different signal transduction pathways and on the cross-talk interactions among these pathways in vascular smooth muscle cells (SMCs) are presently still unsettled. Therefore, a better knowledge on the effects of superoxide on different signalling pathways may provide a better understanding of the mechanisms underlying the altered functions in vascular SMCs observed in pathological conditions. The general objective of this study was to characterize and evaluate the modulating role of superoxide generated by the hypoxanthine and xanthine oxidase reaction on the activities of different signalling pathways in vascular SMCs and to investigate whether the sensitivities of different signalling pathways to superoxide were altered in hypertension. The design of the present research program was based on the following major postulates. (1) superoxide might selectively affect the generation of inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), cGMP, or cAMP in vascular SMCs; (2) the modulating role of superoxide might be mediated by alteration in the cross-talk interactions among different signalling pathways; and (3) the abnormalities observed in vascular SMCs from spontaneously hypertensive rats (SHR) might be related to the alterations induced by superoxide on different signalling pathways. An enhanced production of 1P3induced by superoxide in cultured SMCs from rat aorta or mesenteric artery was demonstrated, for the first time, in this study. Superoxide increased 1P3 formation in a concentration- and time-dependent manner. Superoxide dismutase (SOD), but not catalase, significantly inhibited the superoxide-increased 1P3formation. The inhibition of phospholipase C (PLC) abolished the effect of superoxide on IP3formation. Genistein and tyrphostin A25, two tyrosine kinase inhibitors, also significantly inhibited the superoxideinduced IP3formation. The application of antibody against PLCI, significantly attenuated the superoxide-induced 1P3formation. Moreover, the expression level of PLC7proteins was increased after exposing SMCs to superoxide. These observations thus suggest that superoxideinduced IP3 formation may be in a great part secondary to an increase in the activity of tyrosine kinase-link PLCy signalling pathways in vascular SMCs. Concerning the cGMP pathway, superoxide significantly decreased the basal levels of cGMP and also suppressed the rise in cGMP levels induced by guanylyl cyclase stimulator sodium nitroprusside (SNP) or s-nitroso-n-acetylpenicillamine (SNAP). The superoxide-induced IP3 formation was significantly inhibited by SNP or SNAP, but markedly potentiated by a guanylyl cyclase inhibitor ODQ or KT5823 (a cGMP-dependent protein kinase inhibitor). However, superoxide had no effect on the basal levels of cAMP or the forskolin-induced cAMP production and moreover, the inhibition of adenylyl cyclase or cAMP-dependent protein kinase did not affect the superoxide-enhanced IP3formation. These data, therefore, suggest that the reduced cGMP formation by superoxide probably contributes to the superoxide induced activation of 1P3 formation by lifting the inhibitory feedback of cGMP on the PLC pathway(s), whereas, the cAMP pathway may not be involved in the superoxide-induced IP3formation. In vascular SMCs from SHR, the effects of superoxide were more potent than in SMCs from WKY, including the increase in 1P3 formation, the decrease in cGMP levels, and the superoxide-induced facilitation of the cross-talk interaction between cGMP and IP3pathways. The superoxide-induced 1P3formation was inhibited by a variety of antioxidants, including nacetylcysteine, cc-lipoic acid, melatonin and SOD, in vascular SMCs from both strains. It thus appears that the hypersensitivity of 1P3and cGMP pathways to superoxide is likely to contribute to the increased vascular tone and reactivity of SMCs in hypertension. Whether the effect of melatonin is due to its antioxidant properties was also explored. A greater inhibitory effect of melatonin on the norepinephrine (NE)-induced aortic contraction was observed in SHR than in Wistar-Kyoto rats (WKY). The inhibition of the NE-induced IP formation by melatonin was also greater in aortic SMCs from SHR than that from WKY. The enhanced effects of melatonin in SHR, which were found to be similarly enhanced with SOD but not with catalase, were not mediated by melatonin receptors or oc-adrenoceptors. These results indicate that the anti-hypertensive effects of melatonin are largely due to the scavenging of superoxide, and that the levels of endogenous antioxidants may not counteract the levels of overproduced superoxide in SHR. In conclusion, this study reveals a variety of novel signalling mechanisms for superoxide. For the first time, it was demonstrated that superoxide activates the hydrolysis of phosphoinositides and increases IP3levels in vascular SMCs mainly through the stimulation of tyrosine kinase-link PLCy signal pathway. It was also found that superoxide reduces cGMP formation and suppresses the cross-inhibition of IP3by cGMP, thus facilitating 1133formation. The selective effects of superoxide on 1133and cGMP pathways as well as the existence of a cross-inhibition of IP3formation by cGMP pathway provide novel mechanisms for the signalling role of superoxide in vascular SMCs. Therefore, the altered signalling effects of superoxide on the IP3pathway and the cGMP pathway, which were demonstrated in vascular SMCs from SHR for the first time in this study, could thus be responsible for the alterations in cellular signal transduction mechanisms in SHR and might contribute to the development and/or maintenance of hypertension. These observations could provide new avenues for the development of new strategies for the prevention or treatment of hypertension.