Opening Basement Membrane Gaps During C. elegans Uterine-Vulval Attachment

The basement membrane (BM) is a highly conserved form of extracellular matrix that underlies or surrounds and supports most animal tissues. BMs are crossed by cells during various remodeling events in development, immune surveillance, or during cancer metastasis. Because BMs are dense and not easily penetrable, most of these cells must open a gap in order to facilitate their migration. The mechanisms by which cells execute these changes are poorly understood. A developmental event that requires the opening of a BM gap is C. elegans uterine-vulval connection. The anchor cell (AC), a specialized uterine cell, creates a de novo BM gap. Subsequent widening of the BM gap involves the underlying vulval precursor cells (VPCs) and the π cells, uterine neighbors of the AC through non-proteolytic BM sliding. Using forward and reverse genetic screening, transcriptome profiling, and live-cell imaging, I investigated how the cells in these tissues accomplish BM gap formation. In Chapter 2, I identify two potentially novel regulators of BM breaching, isolated through a large-scale forward genetic screen and characterize the invasion defect in these mutants. In Chapter 3, I describe single-cell transcriptome sequencing of the invasive AC. In Chapter 4, I describe the role of the π cells in opening the nascent BM gap. A complete developmental pathway for this process has been elucidated: the AC induces the π fate through Notch signaling, after which the π cells upregulate the Sec14 family protein CTG-1, which in turn restricts the trafficking of DGN-1 (dystroglycan), a laminin receptor, allowing the BM to slide. Chapter 5 outlines the implications of these discoveries.

Comparative genome analysis of human bifidobacteria with commercial potential

This thesis describes two newly sequenced B. longum subsp. longum genomes and subsequent comparative analysis with publicly available B. longum subsp. longum, B. longum subsp. infantis and B. longum subsp. suis genomes (Chapter 2). The acquired data revealed a closed pan-genome for this bifidobacterial species and furthermore facilitated the definition of the B. longum core genome. The comparative analysis also highlights differences in the potential metabolic abilities of all three sub-species. Interestingly, phylogenetic analysis of the B. longum core genome indicated the existence of a novel B. longum subspecies. Characterisation of restriction-modification systems from two B. longum subsp. longum strains is described in Chapter 3. These defence mechanisms limit the uptake of genetic material, which was successfully demonstrated for some of the identified systems. When these systems were by-passed by methylation of DNA prior to the transformation procedure, the resulting transformation efficiency of both B. longum subsp. longum strains was increased to a level that allowed for the generation of mutants via homologous recombination. Arabinoxylan metabolism by B. longum subsp. longum NCIMB 8809 was investigated in Chapter 4 of this thesis. Transcriptome analysis allowed the identification of a number of genes involved in the degradation, uptake and utilisation of arabinoxylan. Biochemical analysis revealed that three of the identified genes encode arabinofuranosidase activity. Phenotypic assessment of a number of insertion mutants in genes identified by the transcriptome analysis revealed the essential role of two of these enzymes in arabinoxylan metabolism, and a third enzyme in the metabolism of debranched arabinan. Furthermore, this investigation revealed that B. longum subsp. longum NCIMB 8809 does not completely degrade arabinoxylan, but utilises the arabinose substitutions only, while leaving the xylan backbone untouched.Finally, Chapter 5 outlines that B. longum subsp. longum NCIMB 8809 is capable of removing ferulic and p-coumaric acid substitutions that originate from arabinoxylan. Analysis of the genome sequence led to the identification of a candidate gene for this activity, which was subsequently cloned and expressed in E. coli. Biochemical analysis revealed that the enzyme, designated here as FaeA, is indeed capable of releasing both ferulic and p-coumaric acid from arabinoxylan. Furthermore, it is shown that a derivative of B. longum subsp. longum NCIMB 8809 carrying an insertion mutation in faeA had lost the ability to release ferulic and p-coumaric acid from arabinoxylan, and that growth of this mutant strain is negatively affected when cultivated on growth-limiting levels of arabinoxylan.

Assessing the immune phenotype of cardiac syndrome x: a prospective study of biomarkers

Cardiac Syndrome X (CSX), the presence of angina pectoris with objective signs of myocardial ischaemia despite angiographically normal epicardial coronary arteries, appears to be due to coronary microvascular dysfunction and is known to be associated with an elevation of several inflammatory biomarkers, suggesting a possible role for inflammation in its pathogenesis. We aimed to further characterise this relationship by prospectively analysing a wide variety of molecular biomarkers in a cohort of CSX patients thereby charting the changes in biomarkers throughout the natural history of CSX from its initial diagnosis to eventual disease quiescence. We found that CSX patients, when compared to healthy controls, have a persistent low-grade systemic inflammatory response characterised by an elevation of Tumour Necrosis Factor and Interferon-gamma, regardless of the presence of contemporaneous signs or symptoms of disease activity. Interleukin-6 and C-reactive Protein (CRP) are only elevated when patients have clinical evidence of disease activity and may be state markers in CSX. Moreover, CRP levels appear to correlate with signals of disease severity such as the time taken to develop symptoms during exercise stress testing. We have also demonstrated that the enzyme Indoleamine-2,3- dioxygenase is upregulated in active disease thus providing a possible explanation for the increased burden of psychological disease encountered in CSX. Analysis of the microRNA transcriptome showed that miR-143 is significantly under-expressed in CSX patients. This could allow phenotype switching in vascular smooth muscle cells with the resultant vascular remodelling causing reduced vessel responsiveness to local rheological stimuli and reduced luminal diameter with consequent increased microvascular resistance during times of increased myocardial oxygen demand, thereby limiting maximal hyperaemia during exercise. Our findings corroborate many previous hypotheses regarding the role of inflammation in CSX, generate new insights into possible pathogenic mechanisms and offer new therapeutic targets for the future management of this important cardiological condition.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Impacts of seawater acidification on mantle gene expression patterns of the Baltic Sea blue mussel: implications for shell formation and energy metabolism, link to supplementary material

Marine organisms have to cope with increasing CO2 partial pressures and decreasing pH in the oceans. We elucidated the impacts of an 8-week acclimation period to four seawater pCO2 treatments (39, 113, 243 and 405 Pa/385, 1,120, 2,400 and 4,000 µatm) on mantle gene expression patterns in the blue mussel Mytilus edulis from the Baltic Sea. Based on the M. edulis mantle tissue transcriptome, the expression of several genes involved in metabolism, calcification and stress responses was assessed in the outer (marginal and pallial zone) and the inner mantle tissues (central zone) using quantitative real-time PCR. The expression of genes involved in energy and protein metabolism (F-ATPase, hexokinase and elongation factor alpha) was strongly affected by acclimation to moderately elevated CO2 partial pressures. Expression of a chitinase, potentially important for the calcification process, was strongly depressed (maximum ninefold), correlating with a linear decrease in shell growth observed in the experimental animals. Interestingly, shell matrix protein candidate genes were less affected by CO2 in both tissues. A compensatory process toward enhanced shell protection is indicated by a massive increase in the expression of tyrosinase, a gene involved in periostracum formation (maximum 220-fold). Using correlation matrices and a force-directed layout network graph, we were able to uncover possible underlying regulatory networks and the connections between different pathways, thereby providing a molecular basis of observed changes in animal physiology in response to ocean acidification.

Genomic consequences of mating system evolution in the Pacific coastal dune endemic, Abronia umbellata (Nyctaginaceae)

The advent of next-generation sequencing has significantly reduced the cost of obtaining large-scale genetic resources, opening the door for genomic studies of non-model but ecologically interesting species. The shift in mating system, from outcrossing to selfing, has occurred thousands of times in angiosperms and is accompanied by profound changes in the population genetics and ecology of a species. A large body of work has been devoted to understanding why the shift occurs and the impact of the shift on the genetics of the resulting selfing populations, however, the causes and consequences of the transition to selfing involve a complicated interaction of genetic and demographic factors which are difficult to untangle. Abronia umbellata is a Pacific coastal dune endemic which displays a striking shift in mating system across its geographic range, with large-flowered outcrossing populations south of San Francisco and small-flowered selfing populations to the north. Abronia umbellata is an attractive model system for the study of mating system transitions because the shift appears to be recent and therefore less obscured by post-shift processes, it has a near one-dimensional geographic range which simplifies analysis and interpretation, and demographic data has been collected for many of the populations. In this study, we generated transcriptome-level data for 12 plants including individuals from both subspecies, along with a resequencing study of 48 individuals from populations across the range. The genetic analysis revealed a recent transition to selfing involving a drastic reduction in genetic diversity in the selfing lineage, potentially indicative of a recent population bottleneck and a transition to selfing due to reproductive assurance. Interestingly, the genetic structure of the populations was not coincident with the current subspecies demarcation, and two large-flowered populations were classified with the selfing subspecies, suggesting a potential need for re-evaluation of the current subspecies classification. Our finding of low diversity in selfing populations may also have implications for the conservation value of the threatened selfing subspecies.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

DNA in Amphibian and Reptile Venom Permits Access to Genomes Without Specimen Sacrifice

Amphibian defensive skin secretions and reptile venoms are rich sources of bioactive peptides with potential pharmacological/pharmaceutical applications. As amphibian and reptile populations are in rapid global decline, our research
group has been developing analytical methods that permit generation of robust molecular data from non-invasive skin secretion samples and venom samples. While previously we have demonstrated that parallel proteome and venom gland
transcriptome analyses can be performed on such samples, here we report the presence of DNA that facilitates the more widely-used applications of gene sequencing, such as molecular phylogenetics, in a non-invasive manner that circumvents specimen sacrifice. From this “surrogate” tissue, we acquired partial 12S and 16S rRNA gene sequences that are presented for illustration purposes. Thus from a single sample of amphibian skin secretion and reptile venom, robust and complementary proteome, transcriptome and genome data can be generated for applications in diverse scientific disciplines.

A prospective view of animal and human Fasciolosis

Fasciolosis, a food-borne trematodiasis, results following infection with the parasites, Fasciola hepatica and Fasciola gigantica. These trematodes greatly affect the global agricultural community, infecting millions of ruminants worldwide and causing annual economic losses in excess of US $3 billion. Fasciolosis, an important zoonosis, is classified by WHO as a neglected tropical disease with an estimated 17 million people infected and a further 180 million people at risk of infection. The significant impact on agriculture and human health together with the increasing demand for animal-derived food products to support global population growth demonstrate that fasciolosis is a major One Health problem. This review details the problematic issues surrounding fasciolosis control, including drug resistance, lack of diagnosis and the threat that hybridization of the Fasciola species poses to future animal and human health. We discuss how these parasites may mediate their long-term survival through regulation and modulation of the host immune system, by altering the host immune homeostasis and/or by influencing the intestinal microbiome particularly in respect to concurrent infections with other pathogens. Large genome, transcriptome and proteomic data sets are now available to support an integrated One Health approach to develop novel diagnostic and control strategies for both animal and human disease.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

Les impacts de mitochondries étrangères sur le phénotype : une étude holistique chez le ventre rouge du nord Chrosomus eos

Les organismes cybrides souffrent généralement d'une altération de la spécificité des interactions mito-nucléaires, résultant en une détérioration du phénotype. Toutefois, diverses études démontrent que le transfert de mitochondries peut occasionnellement être positif. À l'heure actuelle, de nombreuses questions demeurent quant au degré d'influence de ces transferts sur les différents niveaux d'organisation du phénotype. Afin de répondre à ces questions, les formes sauvages et cybrides du poisson Chrosomus eos sont étudiées. Ainsi, le premier volet de ce projet de recherche démontre un impact des mitochondries Chrosomus neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype des poissons C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont retrouvées en allopatrie. Le deuxième volet de cette thèse révèle, quant à lui, que ces modifications phénotypiques ne sont pas suffisantes pour induire un évènement de spéciation entre les deux biotypes, lorsqu'en sympatrie. De plus, cette étude suggère que la coévolution mito-nucléaire peut ne pas être une condition sine qua non à la perpétuation des individus en milieu naturel. Finalement, l'approche holistique considérée dans le troisième volet de cette recherche atteste de l'influence des mitochondries C. neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype de C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont sympatriques. Cette influence est moins prononcée que celle observée à partir de biotypes allopatriques. Combinés, ces chapitres contribuent à une meilleure compréhension des liens existant entre les mitochondries et le phénotype d'un individu.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.