Orientador: Carla Beatriz Collares Buzato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-24T14:09:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maschio_DanielaAparecida_M.pdf: 3472469 bytes, checksum: c4faacd3683560adfb7bc1ddb9464f73 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Tem havido um grande interesse na determinação das vias envolvidas na proliferação das células beta pancreáticas e a aplicação deste conhecimento em terapias moleculares e celulares da diabetes. Em especial, a via de sinalização da Wnt/beta-catenina (ou via Wnt canônica) tem sido pouco investigada no pâncreas endócrino. Em determinados tecidos/órgãos, é sabido que a proteína beta-catenina constitui não somente um componente estrutural das junções de adesão, mas também é uma molécula sinalizadora juntamente com a Wnt, participando de vários processos celulares, tais como diferenciação e proliferação. Hiperplasia da célula beta parece ocorrer em certas condições experimentais e in vivo, como no estado de resistência periférica à insulina. Entretanto, as vias intracelulares envolvidas nesse processo ainda permanecem desconhecidas. Os objetivos desta Dissertação de Mestrado foram: 1) verificar se as alterações metabólicas induzidas pela exposição à dieta hiperlipídica (DHL) por um curto período de tempo (60 dias) são acompanhadas por alterações morfométricas compensatórias do pâncreas endócrino de camundongos C57BL/6; 2) investigar o possível envolvimento da via de sinalização da Wnt/beta-catenina no processo de proliferação da célula beta neste modelo, analisando-se a localização celular (por imunofluorescência indireta), o conteúdo proteico (por immunoblotting) e a expressão gênica (por PCR de Tempo Real ou qPCR) de proteínas associadas à via Wnt/beta-catenina (a saber, beta-catenina, Ciclina D1/2, c-Myc, GSK-3? e Axina2 e, 3) analisar a expressão da proteína beta-catenina não fosforilada (forma ativa da via) em ilhotas não hiperplásicas de animais tratados com a DHL por apenas 30 dias. Nossos resultados demonstraram que, após 60 dias de tratamento com DHL, os animais se tornaram obesos e apresentaram acentuadas alterações metabólicas, tais como hiperglicemia em jejum e pós prandial, hiperinsulinemia em jejum e pós-prandial e, ainda, uma significativa resistência periférica à insulina (administrada intraperitonealmente), sendo esses animais, portanto, caracterizados como pré-diabéticos. Este quadro foi acompanhado por um aumento significativo da massa relativa de células beta e do seu número por ilhota, o que indica hiperplasia deste tipo celular no pâncreas endócrino, provavelmente compensatória ao quadro de resistência periférica à insulina apresentado pelos animais do grupo tratado. Como mostrado por immunoblotting, houve um aumento significativo na expressão de proteínas ativadoras ou alvo da via, como beta-catenina ativada (não fosforilada) e Ciclina D1/2 em ilhotas dos animais pré-diabéticos. Quanto às proteínas Axina2 e GSK-3? (inibidoras da via), não foi observada alteração significativa na expressão de Axina2, mas supreendemente houve aumento do conteúdo celular de GSK-3? nas ilhotas do grupo pré-diabético. A imunofluorescência para beta-catenina ativada mostrou a presença desta proteína tanto na região de contato intercelular como no citoplasma e núcleo das células beta para ambos os grupos. As outras três proteínas relacionadas à via, Ciclina D1/2, GSK-3? e Axina2, por sua vez, apresentaram uma distribuição exclusivamente citoplasmática nas células endócrinas das ilhotas pancreáticas, o que está de acordo com as suas respectivas funções. A análise por qPCR não revelou alteração significativa no conteúdo celular de RNAm de ?-catenina, mas uma tendência de aumento na expressão gênica de Ciclina D1 e c-Myc, genes alvo da via, em ilhotas hiperplásicas dos animais pré-diabéticos. Ainda, por immunoblotting para beta-catenina ativada, não observamos aumento significativo da expressão proteica dessa proteína em ilhotas do grupo tratado com DHL por apenas 30 dias, os quais não desenvolveram hiperplasia do pâncreas endócrino. Em conclusão, nossos dados sugerem que a via Wnt/beta-catenina parece estar ativada na pré-diabetes experimental, e provavelmente participa do processo de hiperplasia compensatória das células beta pancreática neste estado metabólico / Abstract: The role of the Wnt/beta-catenin signaling pathway (as known as the canonical Wnt pathway) in the endocrine pancreas physiology has not been thoroughly explored. In certain tissues/organs, it is known that beta-catenin, besides being a structural component of adhesion junctions, participates as a key protein in the Wnt signaling pathway, therefore being involved in crucial cellular processes such as differentiation and proliferation. Beta cell hyperplasia appears to occur under certain experimental conditions, and in vivo during the peripheral insulin resistance state. However, the intracellular pathways involved in this process are still unknown. The objectives of this Master's Dissertation were as follows: 1) to investigate whether the metabolic changes induced by exposure of adult male C57BL/6 mice to a high-fat diet (HFD) for a relatively short period of time (30 or 60 days) are accompanied by compensatory morphometric changes of the endocrine pancreas indicative of beta cell hyperplasia; and 2) to study the possible involvement of the pathway Wnt/?-catenin signaling in the process of beta cell proliferation in this animal model. For this, we carried out the analysis of the cellular localization (by indirect immunofluorescence), the protein cell content (by immunoblotting) and the gene expression (by PCR or Real-Time qPCR) of proteins associated to the Wnt/beta-catenin pathway (i.e., ?-catenin, Cyclin D1/2, c-Myc, Axin2 and GSK-3?). Our results showed that, after 60 days of treatment with HFD, the animals became obese, as well as, hyperglycemic, hyperinsulinemic (both at fast and fed states) and resistant to intraperitoneally injected insulin, being therefore characterized as prediabetic. This metabolic condition was accompanied by a significant increase in the relative mass of beta cells and the number of beta cells per islet, which indicates hyperplasia of this pancreatic endocrine cell, probably compensatory to the relatively higher insulin demand presented by the HFD-treated animals. As shown by immunoblotting, there was a significant increase in islet expression of the activator and target proteins, such as the active (unphosphorylated) beta-catenin and Cyclin D1/2 in prediabetic animals. Regarding Axina2 and GSK- 3? proteins (antagonists of the pathway), no changes were observed concerning Axin2 islet content between the experimental groups, but surprisingly there was a significant increase in cellular content of GSK-3? in islet homogenates from the prediabetic group. The immunofluorescence for active beta-catenin showed the presence of this protein at the intercellular contact region as well as within the cytoplasm and nucleus of beta cells in both groups. Meanwhile, Cyclin D1/2, GSK-3? and Axin2 displayed an exclusively cytoplasmic distribution in pancreatic endocrine cells, which is in accordance with their respective functions. The qPCR analysis revealed no significant change in mRNA expression of ?-catenin, but a tendency of increase in gene expression of Cyclin D1 and c-Myc, target genes of the pathway, in hyperplastic islets of the prediabetic animals. Additionally, the immunoblotting of active beta-catenin in homogenates of non-hyperplastic islets, isolated from mice fed a HFD for only 30 days, showed no significant change in expression this protein as compared to the control group. In conclusion, our data suggest that the Wnt/beta-catenin pathway may be activated during the process of compensatory hyperplasia of the beta cells seen in our animal model of obesity-associated prediabetes / Mestrado / Biologia Celular / Mestra em Biologia Celular e Estrutural

Abstract Osteoporosis is a bone disorder that leads to a reduction in bone volume, deterioration of bone microarchitecture and therefore increased fracture risk. Bone disorders such as osteoporosis commonly have both genetic and environmental components. Family and twin studies have shown the importance of genetics in bone formation and health, but most of the genetic factors contributing to bone formation are still largely unknown. The aim of this thesis was to search for and identify genetic factors that predispose to two different bone disorders manifesting in fractures, namely femoral neck stress fractures and childhood primary osteoporosis without features of OI (i.e. non-OI primary osteoporosis). Furthermore, in vitro studies were performed to elucidate the importance and mechanism of action of identified genetic factors in non-OI primary osteoporosis. By using candidate gene analyses we identified predisposing alleles, haplotypes and their interactions that increased the risk for femoral neck stress fractures in young male military conscripts. The conscripts lacking the CTR C allele and/or VDR C-A haplotype had a three-fold increased risk for femoral neck stress fractures compared to the carriers of both. Furthermore, conscripts carrying the LRP5 A-G-G-C haplotype had a three-fold increased risk for femoral neck stress fractures and in combination with VDR C-A haplotype a four-fold increased risk for stress fractures. These associations were mediated by low body weight and BMI. In the search for genetic factors of non-OI primary osteoporosis in children and adolescent, two novel mutations in LRP5 and two more variants in WNT3A and DKK1 were found in patients. The variants were also observed in the affected family members, but not in the control group. The effects of these variants were examined in in vitro studies and the results showed that some LRP5 mutations and the WNT3A variant might reduce bone formation by decreasing the canonical Wnt signalling activity. / Tiivistelmä Osteoporoosi on luustosairaus, joka alentaa luuntiheyttä ja heikentää luun rakennetta ja siten lisää murtumien riskiä. Osteoporoosin kaltaiset luusairaudet ovat usein monitekijäisiä tauteja, joiden syntyyn vaikuttavat sekä perinnölliset että ympäristölliset tekijät. Perhe- ja kaksostutkimukset ovat osoittaneet perinnöllisten tekijöiden olevan tärkeitä luun muodostuksessa ja terveydessä, mutta nämä tekijät ovat kuitenkin vielä suurelta osin tuntemattomia. Tutkimustyön tavoitteena oli etsiä ja tunnistaa perinnöllisiä tekijöitä, jotka altistavat kahdelle luunmurtumina ilmenevälle sairaudelle: reisiluunkaulan rasitusmurtumille ja lasten primaariselle osteoporoosille. Lisäksi primaariselle osteoporoosille altistavien perinnöllisten tekijöiden merkitystä ja vaikutusmekanismeja tutkittiin in vitro- kokeilla. Reisiluunkaulan rasitusmurtumille altistavien alleelien, haplotyyppien ja näiden vuorovaikutusten tunnistamiseen käytettiin ehdokasgeenianalyysiä nuorten alokkaiden aineistossa. Potilailla, joilta CTR-geenin C-alleeli ja/tai VDR-geenin C-A haplotyyppi puuttuivat, oli kolminkertainen riski rasitusmurtumien syntyyn molempien geenimuotojen kantajiin verrattuna. Myös LRP5-geenin A-G-G-C haplotyypin kantajilla oli kolminkertainen riski rasitusmurtumiin ja VDR-geenin C-A haplotyyppi ja A-G-G-C yhdessä lähes nelinkertaistivat rasitusmurtumien riskin alokkailla. Näiden assosiaatioiden todettiin välittyvän alhaisen painon ja painoindeksin välityksellä. Lapsuudessa tai varhaisnuoruudessa puhkeavan primaarisen osteoporoosin perinnöllisten tekijöiden etsinnässä löydettiin kaksi uutta mutaatiota LRP5-geenistä ja yhteensä kaksi uutta muutosta WNT3A- ja DKK1-geeneistä. Uusien ehdokasgeenilöydösten osuutta primaarisen osteoporoosin syntyyn tukee se, että muutokset löydettiin potilaiden lisäksi heidän sairailta sukulaisiltaan eikä muutoksia havaittu kontrolliaineistoissa. Uusien mutaatioiden mahdollisia vaikutuksia tutkittiin in vitro-kokein, jotka osoittivat, että eräät LRP5-geenin mutaatiot ja WNT3A-geenin muutos alentavat kanonisen Wnt-signalointireitin aktiivisuutta ja voivat siten vähentää luunmuodostusta.

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est une des principales causes de mortalité par cancer dans le monde. Dans environ 50% des tumeurs, on observe les signes d’une activation de la voie Wnt/β-caténine, causée par une mutation de l’exon 3 du gène CTNNB1 ou par stimulation du récepteur FRZD. Des études transcriptomiques du CHCs ont montré que ces deux modes d’activation étaient associés à des sous-types de tumeurs différents. Nous avons cherché à mieux comprendre les caractéristiques cliniques et le phénotype moléculaire de ces deux sous-types de CHCs. Dans un premier temps, nous avons fait le lien entre l'activation Wnt extracellulaire, un phénotype de cellules cancéreuses souches ou progénitrices et la présence de foyers de fibrose discrète intra-tumorale, observable par examen histopathologique, que nous avons appelés "nids fibreux". Nous avons également mis en évidence HAPLN1, une protéine de la matrice extracellulaire dont l’expression est stimulée par Wnt3a dans un modèle de cellules hépatiques progénitrices HepaRG, comme un nouveau marqueur d’agressivité du CHC. Ces résultats montrent une association entre l’activation Wnt extracellulaire et une agressivité tumorale passant par un remodelage matriciel. Dans un second temps, une Méta-analyse de données publiques de transcriptomique a permis de mettre évidence 4 sous-types de CHCs. La mutation CTNNB1, prédite par l’expression de 5 marqueurs par une méthode développée durant la thèse, était associée à un de ces sous-types et à un bon pronostic clinique. Nous avons également isolé un nouveau sous-type de CHC de bon pronostic exprimant un phénotype de tumeur différenciée et des signatures de métabolisme hépatique périportales. Ce sous-type a probablement été un facteur confondant dans les études précédentes mesurant l’association de la mutation CTNNB1 avec un bon pronostic. Enfin, nous avons mis en évidence une forte association négative entre la mutation CTNNB1 et l’inflammation ainsi que la fibrose tumorale dans trois cohortes indépendantes. Cet effet pourrait être provoqué par une inhibition de NF-κB par la β-caténine mutée, comme suggérée par des résultats préliminaires issue d’un modèle in vitro d’HepaRG mutés T41 stimulés par LPS. Nos résultats suggèrent donc que les deux modes d’activation de la voie Wnt/β-caténine sont associés à des mécanismes moléculaires, des profils d’expression, des phénotypes et des pronostics cliniques très différents. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is the third cause of cancer-related death worldwide. Half of them show activation of Wnt/β-catenin pathway, caused by activating CTNNB1 exon 3 mutation of by stimulation of FRZD receptor. Transcriptomic based HCC classifications showed that this two types of activation were associated with distinct tumor subtypes. We tried to better understand the molecular phenotypes and the clinical features associated with these subtypes. In a first part, we linked extracellular Wnt activation with a stem/progenitor phenotype and with fibrous hotspot in HCC. Fibrous hotspot, which were called “fibrous nest”, can be detected by routine anatomic pathology analyses. We also showed that HAPLN1, an extracellular matrix protein induced by Wnt3a in progenitor HepaRG cells, was a new marker of stemness and bad outcome in HCC. Those results shows the associations between extracellular Wnt activation, extracellular matrix remodeling and tumor aggressiveness. In a second part, a transcriptome meta-analysis of 1133 HCCs highlighted 4 robust subclasses. CTNNB1 mutation, predicted by a 5-genes score based method, was associated with one of these subclasses and with good clinical features. We also highlighted a new subclass of CTNNB1 wild type HCCs associated with tumor differentiation, signatures of periportal metabolism and good outcome. This subclass was probably a confounding factor in survival studies comparing HCCs carrying mutant versus those carrying wild-type CTNNB1. Finally, we highlighted strong negative associations between CTNNB1 mutation and inflammation as well as tumor fibrosis in three independent cohorts. Preliminary results of in vitro HepaRG cells mutated for CTNNB1 in T41 and stimulated by LPS suggest an inhibitory effect of β-caténine on NF-κB. In conclusion, our results show that the two types of Wnt activation in HCC are associated with very distinct molecular phenotypes and clinical features.

La prévalence du syndrome métabolique (MetS) est en constante augmentation dans les pays industrialisés. La stéatose hépatique, caractérisée par une accumulation massive de lipides dans les hépatocytes est une des manifestations du MetS. Parmi les SNP (Single Nucleotide Polymorphism) associés au MetS et à la stéatose hépatique, le SNP I148M de l’adiponutrine/PNPLA3 (Patatin-like Phospholipase Domain-Containing) est décrit comme un nouveau marqueur de la stéatose et également de la sévérité des différentes atteintes hépatiques des NAFLD (Non-alcoholic Fatty Liver diseases). L’objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle de l’adiponutrine dans le foie, d’une part, en étudiant sa régulation transcriptionnelle par les facteurs de transcription SREBP1c (Sterol Responive Element Binding Protein) et ChREBP (Carbohydrate Responsive Element Binding Protein) en réponse à l’insuline et au glucose et d’autre part, en étudiant l’impact de sa surexpression sur le métabolisme glucido-lipidique dans le foie de souris. L’adiponutrine est régulée de façon semblable aux enzymes lipogéniques et semble avoir un impact sur le métabolisme lipidique dans le foie. Comme l’adiponutrine, différents SNP des médiateurs de la voie Wnt/β-caténine sont également associés au syndrome métabolique et au diabète. La voie Wnt/β-caténine joue un rôle déterminant dans la zonation du lobule hépatique. Nous nous sommes intéressés à la régulation de cette voie par les conditions nutritionnelles et dans un contexte physiopathologique de stéatose et de résistance à l’insuline. Nos résultats montrent la régulation de cette voie par les hormones pancréatiques (insuline et glucagon) dans le foie favorisant ainsi l’orientation métabolique des hépatocytes en fonction des besoins. De plus, cette voie est dérégulée dans le foie d’animaux résistants à l’insuline, suggérant qu’elle pourrait avoir une fonction dans ce désordre métabolique. / The prevalence of metabolic syndrome (MetS) has increased in industrial countries. The hallmark of MetS in the liver is an excessive accumulation of triglyceride, which is called hepatic steatosis. Different SNP (Single Nucleotide Polymorphism) are associated with hepatic steatosis or MetS. One of them is found on adiponutrin/PNPLA3 (Patatin-like Phospholipase Domain-Containing) gene (SNP I148M) and is now considered as a new marker of hepatic steatosis and severity of NAFLD (Non-alcoholic Fatty Liver diseases). In order to understand the physiological role of adiponutrin in the liver, we studied its transcriptional regulation by SREBP1c (Sterol Responive Element Binding Protein) and ChREBP (Carbohydrate Responsive Element Binding Protein), mediators of insulin and glucose respectively. Moreover, by overexpressing adiponutrin in mice liver, we investigated its role in hepatic carbohydrate and lipid metabolism. We showed that adiponutrin is regulated as lipogenic genes and could have a role lipid metabolism. As for adiponutrin I148M, different SNP are found on substrats of Wnt/β-catenin pathway, a major pathway controlling acinus zonation. We examined the regulation of this pathway by nutritionnal status and in a pathophysiological context of insulin resistance and steatosis. We showed that Wnt/β-catenin pathway is regulated by pancreatic hormones (insulin and glucagon) in the liver in order to adapt hepatocyte phenotype to energetic needs. Moreover, this pathway is dysregulated in insulin resistant mice liver. These data may suggest a link between Wnt/β-catenin pathway deregulation and hepatic metabolic disorders.

Abstract This thesis focuses on mammalian kidney development and in particular on the question of how two Wnt signalling pathway genes, an antagonistic Dkk1 and an agonistic ligand Wnt5a, regulate the process. Wnts are secreted ligands that are involved in many developmental processes, including gonadal differentiation and kidney development, but also in various diseases and malformations. Wnts form a large signalling family containing 19 different glycoprotein ligands in mammals. Wnt signalling occurs via two different intracellular pathways. A canonical pathway proceeds via beta-catenin, and a non-canonical pathway utilizes other signalling molecules. Dkk1 is an antagonist of the canonical pathway and Wnt5a is considered a ligand that activates the non-canonical signalling pathway. As part of the thesis, I have studied the role of Dkk1 in kidney morphogenesis using a conditional mouse model, in which the gene is deleted in a cell specific manner from the collecting ducts. Dkk1 deficiency increased renal papilla growth and the risk of hydronephrosis. Research pointed out that the lack of Dkk1 in the collecting ducts increased cell proliferation and disturbed the balance of canonical Wnt signalling, which led to an overgrowth of renal papilla. This led to functional phenotypes including increased water reabsorption and changes in ion secretion/absorption. These changes are most likely due to altered Wnt7b signalling. The second part of the thesis examines the role of the non-canonical Wnt5a gene in kidney development with a conventional knock out mouse model. At the time work began on the thesis, no corresponding kidney phenotype had been published. The primary finding in kidneys lacking Wnt5a was an altered basement membrane organization of the collecting ducts and glomeruli. The phenotype is most likely the reason behind morphological phenotypes which vary from bilateral kidney agenesis to duplex collecting system. Notably, during the course of this study we found a mutation in the human WNT5A gene of a CAKUT patient. This is the first time Wnts have been shown to organize kidney development via basement membrane formation. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tarkoituksena on ollut tutkia munuaisen kehitystä ja kuinka kaksi Wnt-signalointireitin geeniä, signalointia estävä Dkk1 ja signalointia edistävä Wnt5a säätelevät sitä. Wnt ligandit ovat eritettäviä signaalimolekyylejä, jotka ovat osallisina monissa kehitysbiologissa prosesseissa kuten sukupuolen määräytymisessä ja munuaisen kehityksessä. Myös monissa taudeissa on havaittu muuntuneita Wnt geenien tuottotasoja. Wnt-geenit muodostava suuren signalointimolekyyliperheen, johon lukeutuu 19 jäsentä nisäkkäillä ja Wnt-signointi on jaettu perinteisesti kahteen signalointiryhmään. Dkk1 on kanonisen Wnt-signaloinnin estäjä ja Wnt5a:ta pidetään pääsaantiöisesti ei-kanonisena Wnt-ligandina. Väitöskirjassani olen tutkinut Dkk1 geenin toimintaa kohdennetussa Dkk1-poistogeenisessä hiiressä, jossa geenin toiminta on poistettu spesifisesti munuaisen kokoojaputkista. Dkk1:n puutos johtaa munuaisen papillan kasvuun ja lisää riskiä hydronefroksen muodostumiseen. Tutkimukset osoittivat että Dkk1:n puutos aiheuttaa lisääntynyttä solujakautumista kokoojaputkissa, jolloin Wnt-signaloinnin muutos aiheuttaa papillan ylikasvua. Ylikasvusta seuraa lisääntynyttä veden takaisin imeytymistä ja muutoksia ionien erittämisessä ja takaisin imeytymisessä. Todennäköisimmin muutokset johtuvat muuntuneesta Wnt7b signaloinnista, jota Dkk1 normaalisti säätelee. Väitöskirjan toisessa osassa tutkittiin ei-kanonisen reitin Wnt5a ligandin roolia munuaisen kehityksessä käyttäen poistogeenistä hiirimallia, jossa Wnt5a:n roolia munuaisenkehityksessä ei ollut julkaistu työn aloituksen aikaan. Wnt5a:n puutoksen havaittiin vaikuttavan tyvikalvon järjestymiseen kokoojaputkissa ja munuaiskeräsessä. Tyvikalvon häiriö on todennäköisin syy morfologisiin muutoksiin, jotka vaihtelevat molempien munuaisen puuttumisesta kaksois-kokoojatiehyen muodostumiseen. Työssä osoitetaan ensimmäistä kertaa kuinka Wnt-signalointireitin proteiinit säätelevät munuaisen kehitystä tyvikalvon muodostuksen kautta.

Abstract Collagen XVIII is a multidomain basement membrane proteoglycan with three tissue-specific isoforms. Endostatin, the C-terminal part of collagen XVIII, has antiangiogenic properties, while the frizzled-like domain of the longest isoform is suggested to be capable of inhibiting the Wnt/β-catenin signaling network. This study utilized several genetically modified mouse lines and electron microscopy to achieve new information on the biological role of collagen XVIII, its different isoforms, and the frizzled domain. Lack of collagen XVIII was found to affect the integrity of basement membranes of various tissues, leading to an abnormally loosened network structure. In the choroid plexus, the change in the basement membrane ultrastructure caused alterations in the production of the cerebrospinal fluid and predisposed to the development of hydrocephalus. In the kidney, broadening of the proximal tubular basement membrane was shown to be due specifically to the lack of the short isoform, while the lack of the two longer isoforms led to podocyte foot process effacement. Moreover, lack of collagen XVIII was found to cause softening of the kidney glomeruli and the levels of serum creatinine were elevated in the mutant animals, indicating altered kidney function. The hair follicle cycle was used as a model to study the possible role of the frizzled domain of collagen XVIII in the Wnt/β-catenin signaling cascade. The longer collagen XVIII isoforms were shown to be expressed in the basement membrane facing the dermal papilla and in the hair follicle bulge, containing the follicular stem cells. Lack of the long isoforms led to abnormalities in the progression of the first hair cycle, and the phenotype could be rescued via transgenic delivery of the frizzled domain of the longest isoform, suggesting its involvement in the regulation of the Wnt/β-catening signaling network during the cyclic growth of the hair. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, jolla on kolme eri kudoksissa esiintyvää isomuotoa. Sen C-terminaalisella endostatiini-osalla on verisuonten kasvua estäviä vaikutuksia, kun taas pisimmän isomuodon frizzled-osan uskotaan estävän Wnt/β-kateniini signalointireitin toimintaa. Tässä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n, sen eri isomuotojen sekä frizzled-osan biologisesta merkityksestä useiden geenimuunneltujen hiirimallien sekä elektronimikroskopian avulla. Kollageeni XVIII:n puutoksen todettiin vaikuttavan tyvikalvojen rakenteen eheyteen useissa eri kudoksisssa, johtaen epänormaalisti löyhtyvään verkkorakenteeseen. Suonipunoksessa tämä tyvikalvon hienorakenteen muutos vaikutti aivo-selkäydinnesteen tuottumiseen ja altisti vesipään kehittymiselle. Munuaisessa proksimaalisen munuaistiehyen tyvikalvon levenemisen osoitettiin johtuvan lyhyen isomuodon puutoksesta, kun taas kahden pidemmän isomuodon puuttuminen aiheutti podosyyttien jalkalisäkkeiden leviämistä. Lisäksi kollageeni XVIII:n puuttumisen osoitettiin johtavan hiirimallien munuaiskerästen pehmenemiseen sekä veren kreatiniinitason kohoamiseen, viitaten munuaistoiminnan häiriöihin. Karvatuppien syklistä kasvua käytettiin mallina tutkittaessa kollageeni XVIII:n frizzled-osan mahdollisia vaikutuksia Wnt/β-kateniini signalointireittiin. Pidempien kollageeni XVIII isomuotojen osoitettiin tuottuvan karvanystyn tyvikalvossa sekä karvatupin kantasolut sisältävällä pullistuma-alueella. Pitkien isomuotojen puuttuminen johti karvojen ensimmäisen kasvukierron epänormaaliin etenemiseen. Tämä voitiin estää siirtogeenisen frizzled-osan avulla, mikä viittasi sen osallisuuteen Wnt/β-kateniini signalointireitin säätelyyn karvan syklisen kasvun aikana.

Abstract Wnt genes encode secreted signalling molecules that control embryonic development including organogenesis, while dysregulated Wnt signalling is connected to many diseases such as cancer. Specifically, Wnts control a number of cellular processes such as proliferation, adhesion, differentiation and aging. Many Wnt proteins activate the canonical β-catenin signalling pathway that regulates transcription of a still poorly characterized set of target genes. Wnts also transduce their signaling in cells via β-catenin-independent “non-canonical” pathways, which are not well understood. In this study, Wnt-11 signalling mechanisms in a mammalian model cell line and roles of Wnt-11 in heart development were analyzed in detail. In addition the aim was to identify new Wnt target genes by direct chromatin immunoprecipitation and Affymetrix GeneChip assays in the model cells exposed to Wnt-3a. Our studies reveal that Wnt-11 signalling coordinates the activity of key cell signalling pathways, namely the canonical Wnt/β-catenin, the JNK/AP-1, the NF-κB and PI3K/Akt pathways in the CHO cells. Analysis of the Wnt-11-deficient embryos revealed a crucial role in heart organogenesis. Wnt-11 signalling coordinates cell interactions during assembly of the myocardial wall and Wnt-11 localizes the expression of N-cadherin and β-catenin to specific cellular domains in the embryonic ventricular cardiomyocytes. Collectively these studies reveal that the mammalian Wnt-11 behaves as a non-canonical Wnt and that it is a critical factor in the coordination of heart development. Specifically, it controls components of the cell adhesion machinery. Analysis of the Wnt target genes revealed a highly context-dependent profile in the Wnt-regulated genes. Several new putative target genes were discovered. Out of the candidate Wnt target genes, Disabled-2 was identified as a potential new direct target for Wnt signalling.

Nouveau modèle d’étude de l’hépatoblastome in vivo et identification de microARNs régulateurs de la β-caténineL’hépatoblastome (HBL) est le cancer du foie le plus fréquent chez l’enfant. Au niveau moléculaire, il est caractérisé par des mutations activatrices dans le gène de la β-caténine (CTNNB1) entrainant une accumulation de sa protéine et une activation anormale de la voie de signalisation Wnt, responsables de la transformation maligne des cellules hépatiques. Ainsi, la β-caténine est une cible thérapeutique majeure dans l’HBL.Ce manuscrit décrit les deux parties principales de mon projet de thèse, dont l’objectif était d’étudier le rôle de microARNs régulateurs de la β-caténine sur la carcinogenèse de l’HBL.La première partie présente le développement d’un nouveau modèle d’étude in vivo de l’HBL. Ce travail a consisté à réaliser des xénogreffes de cellules dérivées d’HBL sur la membrane chorioallantoidienne (CAM) de l’embryon de poulet, et à étudier le développement des tumeurs par des approches histologiques et moléculaires. Mes résultats montrent que les cellules d’HBL modifient leur phénotype et activent des mécanismes de survie et de prolifération pour former des nodules tumoraux structurés et vascularisés au sein de la CAM. Le traitement des cellules par le cisplatine conduit à un arrêt net de la progression tumorale.La seconde partie présente les résultats concernant la régulation de la β-caténine et des processus oncogéniques par les microARNs dans les cellules d’HBL. Un crible fonctionnel m’a permis d’identifier plusieurs microARNs ayant un effet inhibiteur sur la β-caténine. Quatre microARNs, sous-exprimés dans les tumeurs de patients, bloquent la prolifération cellulaire et l’activité de la voie Wnt in vitro. Le miARN le plus efficace interagit avec l’ARNm de la β-caténine via un site unique localisé dans sa région 3’ non traduite et bloque la croissance des tumeurs d’HBL sur la CAM.Durant ma thèse j’ai développé un nouveau modèle animal d’étude de l’HBL qui permet de modéliser la croissance tumorale et de tester l’impact de molécules thérapeutiques. Ce travail a également permis d’identifier de nouveaux microARNs sous-exprimés dans les tumeurs d’HBL, qui inhibent l’expression de la β-caténine et agissent comme des gènes suppresseurs de tumeur. Ces microARNs constituent de potentielles nouvelles molécules thérapeutiques dans le traitement de l’HBL et pourraient aussi être utilisés comme des biomarqueurs diagnostiques et pronostiques. / Hepatoblastoma (HBL) is the most common pediatric liver cancer. At molecular level it is characterized by activating mutations in β-catenin gene (CTNNB1) that cause protein accumulation and abnormal Wnt signaling pathway activation leading to malignant transformation of hepatic cells. Therefore, β-catenin is a key therapeutic target in HBL.This manuscript describes two major parts of my thesis project that aimed to understand the role of β-catenin-regulating microRNAs in HBL carcinogenesis.The first part presents the development of a new in vivo HBL model. This work consisted of making HBL-derived cells xenograft on chick embryo chorioallantoic membrane (CAM) and studying tumor development using histological and molecular approaches. My results show that HBL cells implanted on CAM modify their phenotype and activate survival and proliferation mechanisms to form organized and vascularized tumor nodules. Cell treatment with cisplatin leads to tumor progression arrest.The second part presents results concerning the regulation of β-catenin and oncogenic processes by microRNAs in HBL cells. A functional screening allowed me to identify several microRNAs with an inhibitory effect on β-catenin. Four microRNAs down-regulated in patient tumors inhibit cell proliferation and Wnt pathway activity in vitro. The most efficient microRNA directly interacts with β-catenin mRNA through a unique site localized in 3’ untranslated region and blocks HBL tumor growth on CAM.During my thesis I developed a new animal model to study HBL that allows modelling rapid tumor growth and testing the impact of therapeutic molecules. My work also led to the identification of new microRNAs down-regulated in HBL tumors that inhibit β-catenin expression and act as tumor suppressor genes. Those microRNAs represent new potential therapeutic molecules for HBL treatment and could be also used as diagnostic and prognostic biomarkers.

L’obstruction des vaisseaux est responsable d’ischémie tissulaire dans différents territoires périphériques, cardiaques et cérébraux. Un des mécanismes d’adaptation du tissu à l’ischémie est la formation de néo-vaisseaux. Plusieurs données récentes mettent en évidence un rôle de la voie de signalisation Wnt/Frizzled (Fzd) dans le développement vasculaire. Le travail de cette thèse s’est focalisé sur l’étude du récepteur Frizzled7 (Fzd7) et de son rôle dans la formation des vaisseaux. Le modèle des corps embryoïdes, un modèle de différenciation des cellules souches embryonnaires vers le phénotype endothélial, nous a permis de démontrer que Fzd7 était exprimé au cours des différentes étapes de différenciation endothéliale. Des études sur des cellules endothéliales matures nous ont permis de montrer que Fzd7 régulait différentes propriétés des cellules endothéliales dont la migration et la formation de tubes endothéliaux, mais pas la prolifération. De plus, Fzd7 participe à la stabilité des jonctions cellulaires en interagissant avec la VE-cadhérine. Concernant les mécanismes moléculaires mis en jeu par Fzd7, nous avons pu montrer que celui-ci était capable d’activer la voie Wnt/PCP via la phosphorylation de la protéine JNK. Enfin, une étude in vivo dans le modèle du poisson Zèbre, nous a permis de mettre en évidence un rôle de Fzd7 dans la formation des vaisseaux intersomitiques. La deuxième partie de ce travail concerne le rôle de la voie Wnt/Fzd dans les propriétés angiogèniques des cellules souches mésenchymateuses (CSM). L’objectif de cette étude était de définir comment les CSM participaient à la formation des vaisseaux et si le système Wnt/Frizzled était nécessaire. Nous avons pu montrer que sFRP1, un modulateur de la voie Wnt, améliore la fonction cellulaire des CSM et contribue à la maturation des néo-vaisseaux. De plus, nous avons pu montrer que les CSM implantées dans un modèle d’ischémie du membre inférieur amélioraient la réponse angiogénique lorsque celles-ci étaient préconditionnées en hypoxie. Nous avons mis en évidence le rôle de Wnt4 dans ce processus. / The obstruction of the vessels is responsible for ischemia in various outlying areas, heart and brain. One of the mechanisms of tissue adaptation to ischemia is the formation of neo-vessels. Several recent data show a role of Wnt/Frizzled (Fzd) pathway in vascular development.The work of this thesis focused on the study of receptor Frizzled7 (Fzd7) and its role in vessel formation. Using the model of embryoid bodies, a model of embryonic stem cell differentiation toward the endothelial lineage, we demonstrated that Fzd7 was expressed during different stages of endothelial cell differentiation. Studies on mature endothelial cells have shown that Fzd7 regulates endothelial cells properties including migration and endothelial tube formation but not proliferation. In addition, Fzd7 participates in the stability of cell junctions by interacting with VE-cadherin. Regarding the molecular mechanisms involved in Fzd7 signalling, we could show that this receptor was capable of activating the Wnt/PCP pathway via phosphorylation of JNK protein. Finally, an in vivo study in zebrafish model, allowed us to highlight a role of Fzd7 in intersomitic vessel formation.The second part of this work concerns the role of the Wnt/Fzd pathway in the angiogenic properties of mesenchymal stem cells (MSC). The objective of this study was to determine how CSM participated in vessel formation and if the Wnt/Frizzled pathway was necessary. We show that sFRP1, a modulator of the Wnt pathway, improves cellular function of MSCs and contributes to the maturation of neo-vessels. In addition, we have shown that MSCs implanted in a model of lower limb ischemia improved the angiogenic response when they were preconditioned by hypoxia. We have highlighted the role of Wnt4 in this process.

La néphronophtise (NPH) est une néphropathie tubulo-interstitielle chronique de transmission autosomique récessive. Elle représente la cause génétique la plus fréquente des insuffisances rénales terminales de l’enfant et du jeune adulte (5 à 10%). Elle se caractérise au niveau histologique par des anomalies des membranes basales tubulaires, une fibrose interstitielle massive et par l’apparition tardive de kystes à la jonction cortico-médullaire. Dans 40% des cas, la NPH est associée à des atteintes extra-rénales, notamment oculaires, cérébelleuses ou osseuses, définissant de nombreux syndromes (Senior Løken, Joubert, Jeune, etc). Sur la quinzaine de gènes responsables de la maladie, sept ont été identifiés au laboratoire : NPHP1, NPHP4, NPHP8/RPGRIP1L, NPHP11/MKS3, NPHP12/TTC21B, NPHP13/WDR19 et IFT140. Les protéines codées par ces gènes forment des complexes moléculaires principalement localisés au niveau des jonctions cellulaires et du cil primaire des cellules épithéliales rénales, classifiant la NPH et les syndromes associés dans le groupe des "ciliopathies". Mes travaux de thèse se sont intégrés au projet de recherche de l'équipe, centré sur l'étude des mécanismes pathophysiologiques à l'origine des lésions observées dans la NPH. Pour cela, nous avons développé des modèles de cellules tubulaires rénales (MDCK, IMCD et HEK293), et des modèles animaux (souris et poisson zèbre en collaboration avec l'équipe de Sylvie Schneider-Maunoury UMR7622). Je me suis particulièrement intéressé à l'analyse des phénotypes cellulaires et à la caractérisation des voies de signalisation perturbées dans les cellules épithéliales rénales invalidées pour les gènes NPHP1, NPHP4 et NPHP8/RPGRIP1L. Les protéines codées par ces gènes forment un complexe au niveau du cil primaire et des jonctions cellulaires. J'ai participé à définir le rôle crucial de ces protéines dans l’établissement des jonctions serrées par leur interaction avec les protéines de polarité, la morphogénèse épithéliale en culture 3D et la ciliogenèse. De plus, j'ai mis en évidence que l'absence de ces protéines entraîne des anomalies de migration et d'adhésion cellulaires s’accompagnant d’une activation anormale des protéines Rho GTPases (Cdc42, Rac1 et RhoA) et d’une réorganisation du cytosquelette d’actine. J'ai par ailleurs montré que le complexe NPHP4/inversine/RPGRIP1L régule finement l'expression et la localisation de Dishevelled, élément clé des voies Wnt canonique et Wnt/PCP, dans les cellules rénales. Ceci est en accord avec les défauts de polarité planaire observés dans le pronéphros du poisson zèbre et dans le rein de la souris, après invalidation des gènes Nphp4 ou Rpgrip1l. L'ensemble de ces résultats a permis de mieux comprendre le rôle moléculaire et cellulaire des néphrocystines et les mécanismes pathophysiologiques aboutissant aux altérations retrouvées chez les patients telles que la fibrose interstitielle rénale et la formation de kystes. / Nephronophthisis, a hereditary nephropathy characterized by interstitial fibrosis and cyst formation, is caused by mutations in NPHP genes encoding the ciliary proteins called nephrocystins. We investigate the function of nephrocystin-1, -4 and -8, in vitro and in vivo in mammalian kidney cells and in zebrafish respectively. Depletion of either NPHP1 (N1-KD), NPHP4 (N4-KD) or RPGRIP1L (RPGRIP1L-KD) by shRNA-mediated knockdown in MDCK cells led to abnormal ciliogenesis, delay in tight junction formation and disorganized structures in 3D culture. Moreover NPHP4 modulates the Wnt pathways during morphogenesis of the zebrafish pronephros and in mammalian kidney cells in which NPHP4 interacts with inversin and dishevelled, regulating its stability and its subcellular localization. Rpgrip1l is required for dishevelled stabilization at the cilium base and is necessary for polarized positioning of motile cilia of the zebrafish floor plate and sensory hair cells of the mouse cochlea. In either N1-KD or N4-KD cells, we also showed an over activation of Cdc42 and RhoA, downstream targets of dishevelled. This was accompanied by actin cytoskeletal disorganization, enhanced spreading on collagen, over-activation of proteins that regulate focal adhesion structures i.e p130cas-Pyk2 and increased cell migration. Interestingly, the stable expression of dominant negative form of Cdc42 in knockdown cells rescued the migration and the 3D phenotypes. In parallel, we observed that loss of Nphp4 in mice caused cystic tubular dilatation after subtotal nephrectomy correlated with alteration of ciliogenesis and over activation of Cdc42 and RhoA. Our data show a role of nephrocystins in epithelial cell organization and kidney morphogenesis in particular in regulation of focal adhesion, tight junction, ciliogenesis via dishevelled stability.