Modulation de la douleur neuropathique par l'utilisation d'un vecteur viral adéno-associé recombinant et ARN interférent

Une lésion nerveuse périphérique est susceptible d'engendrer une douleur neuropathique caractérisée par des changements d'expression génique dans les neurones nociceptifs des ganglions spinaux. Parmi ces modifications, on note une augmentation transcriptionnelle du gène codant pour la guanosine triphosphate cyclohydrolase 1 (GCH1) considérée comme modulateur clé des douleurs neuropathiques périphériques1. La surexpression de la GCH1 induit alors une hausse de la concentration de la tétrahydrobiopterin (BH4), un cofacteur essentiel pour la production de catécholamines, de sérotonine et d'oxide nitrique dans les ganglions spinaux. La surexpression de ce cofacteur induit la production de ces neurotransmetteurs et contribue à l'augmentation de la sensibilité douloureuse. Dans ce travail, j'ai modulé l'expression de GCH1 par l'utilisation d'un vecteur viral adéno-associé. Tout d'abord, j'ai testé in vitro dans des cellules PC12 différentes molécules d'ARN interfèrent permettant la régulation négative de GCH1. Les cellules PC 12 contiennent constitutionnellement la GCH1 et sont donc intéressantes afin de tester et sélectionner un plasmide permettant une régulation négative efficace de cette molécule in vitro. Cela m'a permis de choisir après sélection de cellules par FACS et quantification protéique par Western blot les meilleurs sh-ARN à utiliser tant pour la régulation négative de GCH1 que pour le vecteur contrôle. J'ai ensuite co- transfecté ces plasmides avec le plasmide pDF6 dans des cellules HEK293T pour la production de mon vecteur viral (rAAV2/6) permettant la régulation négative de la GCH1 ainsi que de mon vecteur contrôle. Après avoir étudié deux voies d'injection chez le rat (dans le nerf sciatique et en intrathécal), j'ai retenu la voie intrathécale comme ayant le meilleur taux de transduction de mon vecteur viral au niveau des ganglions spinaux. Utiliser cette voie d'injection pour mon vecteur permet de cibler plus particulièrement les neurones nociceptifs des ganglions spinaux. J'ai ensuite étudié la modulation de la GCH1 et sa répercussion sur le développement et le maintien des douleurs neuropathiques dans le modèle animal « spared nerve injury » (SNI). Je n'ai pas obtenu de diminution de douleur ni au niveau comportemental ni au niveau moléculaire chez le rat. Ayant répété l'expérience chez la souris, j'ai obtenu une diminution significative de l'expression de la GCH1 au niveau de l'ARN messager. Je n'ai pas étudié l'efficacité de mon vecteur in vivo chez la souris car un autre groupe m'a devancé dans cette expérience et a publié une étude similaire montrant une régulation négative et efficace de la GCH1 sur les symptômes de douleur neuropathique. Mes résultats, associés à cette publication, démontrent la validité de mon hypothèse de départ et ouvrent de nouvelles perspectives thérapeutiques en prenant comme cible la production de BH4.

Environmental activity of bacteria degrading pollutants

Une des meilleures techniques pour décontaminer l'environnement d'éléments toxiques (comme par exemple le dibenzofuan, DBF et le 4-chlorophenol, 4CP) déposés par l'homme, à bas coûts et sans le perturber considérablement, est sans doute la biorémédiation, et particulièrement la bioaugmentation. Malheureusement, si plusieurs microorganismes ont démontré leur efficacité à dégrader les composés toxiques en conditions de laboratoire, plusieurs tentatives afin de les utiliser dans l'environnement n'ont pas abouti. Ces échecs sont probablement le résultat des pauvres connaissances des réactions de ces mêmes microorganismes dans l'environnement. L'objectif de mon travail a été de mieux comprendre les réponses de ces bactéries au niveau de leurs gènes lorsqu'elles sont introduites ou prospèrent dans des conditions plus proches de la réalité, mais encore suffisamment contrôlées pour pouvoir élucider leur comportement. Le fait de résister à des conditions de sécheresse a été considéré en tant que facteur clé dans la survie des bactéries amenées à être utilisées pour la biorémédiation; cela implique une série de mécanismes utilisés par la cellule pour faire face au stress hydrique. Le chapitre II, par une approche métagénomique, compare les réactions de trois souches prometteuses pour la biorémédiation (Arthrobacter chlorophenolicus A6, Sphingomonas wittichii RW1 and Pseudomonas veronii 1YdBTEX2) vis-à-vis du stress hydrique simulé en conditions de laboratoire. L'objectif ici est de découvrir et de décrire les stratégies de résistance au stress, communes ou spécifiques, employées par les bactéries. Mes résultats montrent que les trois souches ont des sensibilités différentes au stress hydrique. Entre les traits communs trouvés, il y a une diminution de l'expression des gènes flagellaires ainsi qu'une augmentation de l'expression de solutes compatibles, mais qui sont souche-spécifiques. J'ai étudié plus en détail la réponse génomique de RW1 par rapport aux inoculations ainsi que sa croissance dans le sable contaminé et non-stérile (chapitre III), et je les ai comparé à des cultures en milieu liquide. Mes résultats indiquent que RW1 peut résister efficacement et peut croître dans des conditions presque sèches et peut également dégrader le contaminant (DBF, dans le cas présent) si les pré-cultures sont réalisées dans le même type de contaminant. Par contre, notre hypothèse du chapitre II se révèle fausse car le comportement de RW1 est très diffèrent de celui observé dans des conditions avec stress hydrique induit par l'addition de sel ou de PEG. Plus intéressant, les réponses de RW1 en milieu liquide sont très différentes de celles observées dans le sable, révélant ainsi que cette souche peut reconnaître le milieu dans lequel elle se trouve. Les mêmes expériences en sable contaminé, cette fois-ci avec 4CP, ont été réalisées pour A6 (chapitre IV) dans l'espoir de compléter la comparaison entre le stress hydrique et l'adaptation dans le sol. Malheureusement, il n'a pas été possible d'obtenir d'échantillons de bonne qualité pour les hybridations des microarrays afin d'étudier la réponse transcriptionnelle dans les différentes phases de croissance dans le sable (contaminé ou non). Toutefois, j'ai appris qu'Arthrobacter ne peut pas croitre dans les sols hautement contaminés si les conditions du sol sont très sèches, elles ont en effet besoin de suffisamment d'eau pour dégrader des quantités importantes de 4CP. Ces observations dirigent l'attention sur le fait que les études sur l'efficacité de l'inoculation de bactéries doivent être testées dans des conditions le plus proche possible de l'environnement ciblé, tout comme les concentrations optimales pour l'inoculum. Finalement, nous avons étudié le comportement de A6 dans la phytosphère avec deux dégrés d'humidité (chapitre V). A6 ne montre pas de réaction particulière face aux changements d'humidité, et à nouveau, ces réponses ne peuvent être liées aux changements d'expression des gènes observées dans les conditions de stress hydrique simulées. Cette étude a permis d'identifier la présence de composés phénoliques dans les feuilles qui peuvent potentiellement améliorer les propriétés de dégradation ou qui permettent d'effectuer de façon plus rapide la réaction de dégradation des contaminants dans un processus de phytoremédiation par A. chlorophenolicus.

Characterization of a MAF1 knockout mouse model

L'ARN polymérase 3 transcrit un petit groupe de gènes fortement exprimés et impliqués dans plusieurs mécanismes moléculaires. Les ARNs de transfert ou ARNt représentent plus ou moins la moitié du transcriptome de l'ARN polymérase 3. Ils sont directement impliqués dans la traduction des protéines en agissant comme transporteurs d'acides aminés qui sont incorporés à la chaîne naissante de polypeptides. Chez des levures cultivées dans un milieu jusqu'à épuisement des nutriments, Maf1 réprime la transcription par l'ARN polymérase 3, favorisant ainsi l'économie énergétique cellulaire. Dans un modèle de cellules de mammifères, MAF1 réprime aussi la transcription de l'ARN polymérase 3 dans des conditions de stress, cependant il n'existe aucune donnée quant à son rôle chez un mammifère vivant. Pendant mon doctorat, j'ai utilisé une souris délétée pour le gène Maf1 afin de connaître les effets de ce gène chez un mammifère. Etonnamment, la souris Maf1-­‐/-­‐ est résistante à l'obésité même si celle-­‐ci est nourrie avec une nourriture riche en matières grasses. Des études moléculaires et de métabolomiques ont montré qu'il existe des cycles futiles de production et dégradation des lipides et des ARNt, ce qui entraîne une augmentation de la dépense énergique et favorise la résistance à l'obésité. En plus de la caractérisation de la souris Maf1-­‐/-­‐, pendant ma thèse j'ai également développé une méthode afin de normaliser les données de ChIP-­‐sequencing. Cette méthode est fondée sur l'utilisation d'un contrôle interne, représenté ici par l'ajout d'une quantité fixe de chromatine provenant d'un organisme différent de celui étudié. La méthode a amélioré considérablement la reproductibilité des valeurs entre réplicas biologiques. Elle a aussi révélé des différences entre échantillons issus de conditions différentes. Une occupation supérieure de l'ARN polymérase 3 sur les gènes Pol 3 chez les souris Maf1 KO entraîne une augmentation du niveau de précurseurs d'ARNt, ayant pour effet probable la saturation de la machinerie de maturation des ARNt. En effet, chez les souris Maf1 KO, le pourcentage d'ARNt modifiés est plus faible que chez les souris type sauvage. Ce déséquilibre entre le niveau de précurseurs et d'ARNt matures entraîne une diminution de la traduction protéique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouvelles fonctions pour la protéine MAF1, comme étant une protéine régulatrice à la fois de la transcription mais aussi de la traduction et en étant un cible potentielle au traitement à l'obésité. -- RNA polymerase III (Pol 3) transcribes a small set of highly expressed genes involved in different molecular mechanisms. tRNAs account for almost half of the Pol 3 transcriptome and are involved in translation, bringing a new amino into the nascent polypeptide chain. In yeast, under nutrient deprivation, Maf1 acts for cell energetic economy by repressing Pol 3 transcription. In mammalian cells, MAF1 also represses Pol 3 activity under conditions of serum deprivation or DNA damages but nothing is known about its role in a mammalian organism. During my thesis studies, I used a Maf1 KO mouse model to characterize the effects of Maf1 deletion in a living animal. Surprisingly, the MAF1 KO mouse developed an unexpected phenotype, being resistant to high fat diet-­‐induced obesity and displaying an extended lifespan. Molecular and metabolomics characterizations revealed futile cycles of lipids and tRNAs, which are produced and immediately degraded, which increases energy consumption in the Maf1 KO mouse and probably explains in part the protection to obesity. Additionally to the mouse characterization, I also developed a method to normalize ChIP-­‐seq data, based on the addition of a foreign chromatin to be used as an internal control. The method improved reproducibility between replicates and revealed differences of Pol 3 occupancy between WT and Maf1 KO samples that were not seen without normalization to the internal control. I then established that increased Pol 3 occupancy in the Maf1 KO mouse liver was associated with increased levels of tRNA precursor but not of mature tRNAs, the effective molecules involved in translation. The overproduction of precursor tRNAs associated with the deletion of Maf1 apparently overwhelms the tRNA processing machinery as the Maf1 KO mice have lower levels of fully modified tRNAs. This maturation defect directly impacts on translation efficiency as polysomic fractions and newly synthetized protein levels were reduced in the liver of the Maf1 KO mouse. Altogether, these results indicate new functions for MAF1, a regulator of both transcription and translation as well as a potential target for obesity treatment.

Role of Munc18c in SNARE-mediated exocytosis

Background: The SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein Receptors) and SM (Sec1/Munc18) family of proteins form the core machinery that drives the fusion of vesicles in different membrane trafficking steps. They are highly conserved, implying a similar mode of binding and function. In vertebrates, Munc18a is essential for neuronal exocytosis. It binds to its partner syntaxin1a (Syx1a) at both its N-peptide and closed conformation, and thereby inhibits SNARE complex formation in vitro. By contrast, its close homolog Munc18c is thought to interact with only the N-peptide of its partner Syx4. Moreover, different effects of Munc18c on SNARE complex formation have been reported, suggesting that the two Munc18/Syx pairs act differently. Objective: The aim of the present study was to investigate whether the mechanism of action of Munc18c indeed deviates from that of Munc18a by using sensitive biochemical and biophysical methods. Results: I found that Munc18c does have a similar binding mode as Munc18a and interacts tightly with Syx4 at both the N-peptide and closed conformation. Moreover, I established, through a novel assay, that Munc18c inhibits SNARE complex assembly, with both the binding sites contributing to inhibition, similar to Munc18a. However, there were several subtle differences between the two Munc18/Syx pairs. Munc18a exerted stronger inhibition than Munc18c. Also their respective Syx partners were found to differ in the rate of binding to SNAP25, suggesting that the equilibrium of their open and closed conformations is different. Moreover, Munc18a was found to interact with Syx 1, 2, 3 but not 4, while Munc18c bound to Syx 2, 4 and 1 but not 3. By comparing the kinetics of interaction of Syx with either Munc18 or SNAP25, I found that the block of SNARE complex assembly by Munc18 is effective on a shorter time scale, but SNAP25 eventually binds to Syx resulting in SNARE complex formation. Nevertheless, these findings do not explain how Syx can escape the tight grip of Munc18, suggesting that other proteins or mechanisms are needed for this step. I also discovered that Munc18 is able to bind on the surface of the SNARE core complex; however, this observation needs to be tested more rigorously. Conclusion: Munc18c was found to be similar to Munc18a in its mode of binding to Syx and inhibition of SNARE complex assembly. However, differences in kinetics and interaction specificities were observed between the different Munc18/Syx pairs. -- Contexte : Les familles des protéines SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor At- tachment protein Receptors) et SM (Sec1/Munc18) forment le coeur de la machinerie chargée de la fusion vésiculaire au cours des différentes étapes du trafic intracellulaire. Elles sont très conservées, suggérant un mode d'interaction et des fonctions semblables. Chez les Verté- brés, Munc18a est essentielle à l'exocytose neuronale. Elle se lie à sa partenaire d'interaction syntaxin1a (Syx1a) à la fois via un peptide N-terminal et la conformation fermée de celle-ci, inhibant ainsi la formation du complexe SNARE in vitro. Son homologue proche Munc18c au contraire, est supposée interagir seulement avec le peptide N-terminal de sa partenaire Syx4. En outre, différents effets de Munc18c sur la formation du complexe SNARE ont été décrits, suggérant que les deux paires Munc18/Syx fonctionnent différemment. Objectif : Le but de cette étude est de tester si les mécanismes de fonctionnement de Munc18c diffèrent vraiment de ceux de Munc18a par le biais de méthodes biochimiques et biophysiques très précises. Résultats : J'ai pu démontrer que Munc18c se comporte en effet de façon semblable à Munc18a, et interagit étroitement avec Syx4 à ses deux sites de liaison. J'ai pu de surcroît montrer par une nouvelle méthode que Munc18c inhibe l'assemblage du complexe SNARE en impliquant ces deux sites de liaison, comme le fait Munc18a. il existe cependant de subtiles différences entre les deux paires Munc18/Syx : Munc18a exerce une inhibition plus forte que Munc18c ; leurs Syx partenaires diffèrent également dans leur degré de liaison à SNAP25, ce qui suggère un équilibre different de leurs conformations ouverte et fermée. De plus, Munc18a interagit avec Syx 1, 2 et 3 mais pas Syx 4, alors que Munc18c se lie à Syx 2, 4 et 1 mais pas Syx 3. En comparant les cinétiques d'interaction de Syx avec Munc18 ou SNAP25, j'ai découvert que le blocage par Munc18 de l'assemblage du complexe SNARE est effectif de façon brève, bien que SNAP25 finisse par se lier à Syx et aboutir ainsi à la formation du complexe SNARE. Ces découvertes n'expliquent cependant pas comment Syx parvient à échapper à la solide emprise de Munc18, et suggèrent ainsi l'intervention nécessaire d'autres protéines ou mécanismes à cette étape. J'ai également découvert que Munc18 peut se lier à la surface de la partie centrale du complexe SNARE - cette observation reste à être testée de façon plus stringente. Conclusion : Il a pu être établi que Munc18c est semblable à Munc18a quant à son mode de liaison à Syx et d'inhibition de l'assemblage du complexe SNARE. Des différences de cinétique et de spécificité d'interaction entre les diverses paires Munc18/Syx ont cependant été identifiées.