Ophtalmologie. Thérapie génique des rétinopathies héréditaires: premiers résultats [Gene therapy for hereditary eye diseases: where are we?]

Les résultats préliminaires de trois essais cliniques de thérapie génique d'une forme agressive de rétinite pigmentaire (l'amaurose congénitale de Leber) ont prouvé que le traitement des maladies dégénératives de la rétine par transfert de gène peut être sûr et efficace pour rétablir une fonction visuelle. Il faudra encore attendre les résultats à long terme de ces études pour que soit définitivement validée cette approche thérapeutique. Dans l'intervalle, il importe de se préparer à son introduction en ophtalmologie de façon à la rendre accessible à nos malades. Pratiquement cela revient à promouvoir: 1) le recrutement; 2) la caractérisation du phénotype et du génotype des sujets atteints et 3) la constitution d'un registre des rétinopathies héréditaires. Recently, preliminary results of three clinical gene therapy trials for early onset retinitis pigmentosa--Leber congenital amaurosis--suggested that treating this degenerative retinal disease by gene transfection can be safe and efficient to restore a visual function. The definitive validation of this therapeutic approach depends on the long-term results. The forthcoming availability of gene therapy in ophthalmology prompts the implementation: of 1) recruitment, 2) phenotyping and genotyping of affected patients, 3) and creation of a hereditary retinopathy registry.

Optimisation du transfert de gènes dans la rétine par des vecteurs lentiviraux lors de maladies dégénératives de la rétine

Certaines dégénérescences rétiniennes sont engendrées par des mutations¦génétiques et conduisent à la perte des cellules photosensibles, les¦photorécepteurs (cônes et/ou bâtonnets), et donc à la cécité (Roy et al., 2010).¦La prévalence est de 1/3000 chez les Caucasiens. Les Rétinites Pigmentaires¦(RP) en composent la majorité des cas, suivent l'Amaurose congénitale de¦Leber et la maladie de Stargardt. Il n'y a pas une mutation type associés à une¦maladie mais diverses mutations peuvent aboutir à une dégénérescence de la¦rétine. Tout comme le reste du système nerveux central, la rétine lésée n'a pas¦les capacités de se régénérer. Un objectif du traitement est de ralentir la¦dégénérescence de la rétine dans le but de la stabiliser. La thérapie génique¦constitue actuellement la seule approche thérapeutique à même de traiter les¦dégénérescences rétiniennes d'origine génétique. Elle consiste à utiliser un virus¦modifié, qui n'a plus les capacités de se reproduire, appelé vecteur pour cibler¦certaines cellules afin d'ajouter un gène sain ou d'inhiber un gène malade. Les¦virus associés à l'adénovirus (AAV) et les Lentivirus (LV) sont les 2 principaux¦types de virus utilisés en thérapie génique en ophtalmologie. D'autres vecteurs¦existent, comme les adénovirus et le virus de l'anémie infectieuse équine. Des¦études de thérapie génique effectuées chez l'homme avec le vecteur AAV ont¦démontré une sensible amélioration des fonctions visuelles (acuité visuelle,¦champ visuel, pupillométrie et le déplacement dans un environnement avec une¦lumière tamisée) chez des patients atteints d'Amaurose congénitale de Leber¦(Maguire et al., Ali et al., Hauswirth et al., Bennett et al.). Le vecteur utilisé au¦cours de ce travail est un LV, qui a pour avantage de pouvoir transporter de¦grands gènes. Lorsque ce vecteur est pseudotypé avec une enveloppe VSVG, il¦transduit (transférer un gène qui sera fonctionnel dans la cellule cible) bien¦l'épithélium pigmentaire rétinien (nécessaire à la survie et à la fonction des¦photorécepteurs). Afin de changer le tropisme du vecteur, celui testé dans cette¦étude contient une enveloppe de type Mokola qui cible efficacement les cellules¦gliales du cerveau et donc probablement aussi les cellules de Müller de la rétine.¦Le but à court terme est de transformer génétiquement ces cellules pour leur¦faire sécréter des molécules favorisant la survie des photorécepteurs. Pour¦révéler la cellule ciblée par le vecteur, le gène qui sera exprimé dans les cellules¦transduites code pour la protéine fluorescente verte 2 (GFPII) et n'a pas de¦fonction thérapeutique. Après avoir produit le virus, deux types de souris ont été¦injectées : des souris dépourvues du gène de la rhodopsine appelées Rho -/- et¦des souris sauvages appelées C57BL6. Les souris Rho -/- ont été choisies en¦tant que modèle de dégénérescence rétinienne et les souris C57BL6 en tant que¦comparatif. Les souris Rho -/- et C57BL56 ont été injectées entre le 2ème et le¦3ème mois de vie et sacrifiées 7 jours après. Des coupes histologiques de la rétine¦ont permis de mesurer et comparer pour chaque oeil, les distances de¦transduction du RPE et de la neurorétine (= toute la rétine sauf le RPE). La¦distance sur laquelle le RPE est transduit détermine la taille de la bulle¦d'injection alors que la distance sur laquelle la neurorétine est transduite¦détermine la capacité du vecteur à diffuser dans la rétine. Les résultats montrent¦une expression plus importante de la GFPII dans le RPE que dans la neurorétine¦chez les souris Rho -/- et C57BL6. Les principales cellules transduites au¦niveau de la neurorétine sont, comme attendu, les cellules de Müller. Lorsque¦l'on compare les proportions de neurorétine et de RPE transduites, on constate¦qu'il y a globalement eu une meilleure transduction chez les souris Rho -/-¦que chez les souris C57BL6. Cela signifie que le vecteur est plus efficace pour¦transduire une rétine dégénérée qu'une rétine saine. Pour déterminer quels types¦de cellules exprimaient la GFPII, des anticorps spécifiques de certains types de¦cellules ont été utilisés. Ces résultats sont similaires à ceux d'autres études¦effectuées précédemment, dont celle de Calame et al. en 2011, et tendent à¦prouver que le vecteur lentiviral avec l'enveloppe Mokola et le promoteur EFs¦est idéal pour transduire avec un gène thérapeutique des cellules de Müller dans¦des rétines en dégénérescence.

Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

From diabetes to heart disease : studies on dyslipidemia-induced B-cell dysfunction, immunomodulation in heart transplantation, and cardiac stem cell therapy

Diabetes is a growing epidemic with devastating human, social and economic impact. It is associated with significant changes in plasma concentrations of lipoproteins. We tested the hypothesis that lipoproteins modulate the function and survival of insulin-secreting cells. We first detected the presence of several receptors that participate in the binding and processing of plasma lipoproteins and confirmed the internalization of fluorescent LDL and HDL particles in insulin-secreting β-cells. Purified human VLDL and LDL particles reduced insulin mRNA levels and β-cell proliferation, and induced a dose-dependent increase in the rate of apoptosis. In mice lacking the LDL receptor, islets showed a dramatic decrease in LDL uptake and were partially resistant to apoptosis caused by LDL. VLDL-induced apoptosis of β-cells involved caspase-3 cleavage and reduction in levels of the c-Jun N-terminal (JNK) Interacting Protein-1 (IB1/JIP-1). In contrast, the pro-apoptotic signaling of lipoproteins was antagonized by HDL particles or by a small peptide inhibitor of JNK. The protective effects of HDL were mediated, in part, by inhibition of caspase-3 cleavage and activation of the protein kinase Akt/PKB. Heart disease is a major cause of morbidity and mortality among patients with diabetes. When heart failure is refractory to medical therapy and cannot be improved by electrical resynchronization, percutaneous angioplasty or coronary graft bypass surgery, heart transplantation remains a "last resort" therapy. Nevertheless, it is limited by the side effects of immunosuppressive drugs and chronic rejection. Localized expression of immunomodulatory genes in the donor organ can create a state of immune privilege within the graft, and was performed in rodent hearts by infecting cells with an adenovirus encoding indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), the rate-limiting enzyme in the catabolism of tryptophane. Other strategies are based on genetic manipulation of dendritic cells (DCs) with immunosuppressive genes and in vitro exposure of DCs to agents that prevent their maturation by inflammatory cytokines. Finally, we used 5-bromo-2'-deoxyuridine, which is incorporated into DNA and diluted with cell division, to identify long-term label retaining cells in the adult rodent heart. The majority of these cells were positive for the stem cell antigen-1 (Sca-1) and negative for the endothelial precursor marker CD31. They formed cardiospheres in vitro and showed differentiation potential into mesenchymal cell lineages. When cultured in cardiomyogenic differentiation medium, they expressed cardiac-specific genes. Taken together, these data provide evidence of slow-cycling stem cells in the rodent heart. Chronic shortage of donor organs opens the way to cardiac stem cell therapy in humans, although the long way from animal experimentation to routine therapy in patients may still take several years. - Du diabète de type 2 à la maladie coronarienne : trois études sur les dysfonctions de la cellule sécrétrice d'insuline induites par les dyslipidémies, l'immunomodulation dans la transplantation cardiaque, et la thérapie par des cellules souches myocardiques. Le diabète de type 2 a pris les dimensions d'une épidémie, avec des conséquences sociales et économiques dont nous n'avons pas encore pris toute la mesure. La maladie s'accompagne souvent d'une dyslipidémie caractérisée par une hypertriglycéridémie, des taux abaissés de cholestérol HDL, et des concentrations de cholestérol LDL à la limite supérieure de ce qui est considéré comme acceptable. L'hypothèse à la base de cette étude est qu'une modification des taux plasmatiques de lipoprotéines pourrait avoir une influence directe sur la cellule β sécrétrice d'insuline en modifiant sa fonction, sa durée de vie et son taux de régénération. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, sur la cellule β, la présence de plusieurs récepteurs impliqués dans la captation des lipoprotéines. Nous avons confirmé la fonctionnalité de ces récepteurs en suivant l'internalisation de LDL et de HDL marqués. En présence de VLDL ou de LDL humains, nous avons observé une diminution de la transcription du gène de l'insuline, une prolifération cellulaire réduite, et une augmentation de l'apoptose, toutes fonctions de la dose et du temps d'exposition. L'apoptose induite par les VLDL passe par une activation de la caspase-3 et une réduction du taux de la protéine IB1/JIP-1 (Islet Brain1/JNK Interacting Protein 1), dont une mutation est associée à une forme monogénique de diabète de type 2. Par opposition, les HDL, ainsi que des peptides inhibiteurs de JNK, sont capables de contrer la cascade pro-apoptotique déclenchée, respectivement, par les LDL et les VLDL. Ces effets protecteurs comprennent l'inhibition du clivage de la caspase-3 et l'activation de la protéine kinase Akt/PKB. En conclusion, les lipoprotéines sont des éléments clés de la survie de la cellule β, et pourraient contribuer au dysfonctionnement observé dans le pancréas endocrine au cours du développement du diabète. La maladie cardiaque, et plus particulièrement la maladie coronarienne, est une cause majeure de morbidité et de mortalité chez les patients atteints de diabète. Plusieurs stratégies sont utilisées quotidiennement pour pallier les atteintes cardiaques: traitements médicamenteux, électromécaniques par resynchronisation électrique, ou communément appelés « interventionnels » lorsqu'ils font appel à l'angioplastie percutanée. La revascularisation du myocarde par des pontages coronariens donne également de très bons résultats dans certaines situations. Il existe toutefois des cas où plus aucune de ces approches n'est suffisante. La transplantation cardiaque est alors la thérapie de choix pour un nombre restreint de patients. La thérapie génique, en permettant l'expression locale de gènes immunomodulateurs dans l'organe greffé, permet de diminuer les réactions de rejet inhérentes à toute transplantation (à l'exception de celles réalisées entre deux jumeaux homozygotes). Nous avons appliqué chez des rongeurs cette stratégie en infectant le coeur greffé avec un adénovirus codant pour l'enzyme indoleamine 2,3-dioxygénase (IDO), une enzyme clé dans le catabolisme du tryptophane. Nous avons procédé de manière identique in vitro en surexprimant IDO dans les cellules dendritiques, dont le rôle est de présenter les antigènes aux lymphocytes Τ du receveur. Des expériences similaires ont été réalisées en traitant les cellules dendritiques avec des substances capables de prévenir, en partie du moins, leur maturation par des agents pro-inflammatoires. Finalement, nous avons exploré une stratégie utilisée couramment en hématologie, mais qui n'en est encore qu'à ses débuts au niveau cardiaque : la thérapie par des cellules souches. En traitant des rongeurs avec un marqueur qui s'incorpore dans l'ADN nucléaire, le 5-bromo- 2'-deoxyuridine, nous avons identifié une population cellulaire se divisant rarement, positive en grande partie pour l'antigène embryonnaire Sca-1 et négative pour le marqueur endothélial CD31. En culture, ces cellules forment des cardiosphères et sont capables de se différencier dans les principaux types tissulaires mésenchymateux. Dans un milieu de differentiation adéquat, ces cellules expriment des gènes cardiomyocytaires. En résumé, ces données confirment la présence chez le rongeur d'une population résidente de précurseurs myocardiques. En addenda, on trouvera deux publications relatives à la cellule β productrice d'insuline. Le premier article démontre le rôle essentiel joué par la complexine dans l'insulino-sécrétion, tandis que le second souligne l'importance de la protéine IB1/JIP-1 dans la protection contre l'apoptose de la cellule β induite par certaines cytokines.

Combining MAR elements and transposable vectors for more reliable transgene integration and expression

Integration without cytotoxic effects and long-term expression of a transgene constitutes a major challenge in gene therapy and biotechnology applications. In this context, transposons represent an attractive system for gene transfer because of their ability to promote efficient integration of a transgene in a variety of cell lines. However, the transgene integration can lead to insertional mutagenesis and/or unstable transgene expression by epigenetic modifications. These unwanted events may be limited by the use of chromatin control elements called MARs (matrix attachment regions). Indeed, the insertion of these DNA elements next to the transgene usually results in higher and more stable expression by maintaining transgene chromatin in an active configuration and preventing gene silencing. In this study, we tested if the inclusion of the MAR 1-68 in the piggyBac transposon system may lead to efficient and safer transgene integration and ensure reliable stable and long-term expression of a transgene. The MAR-containing transposon construct was tested in CHO cells, for biotechnology applications, and in mesoangioblast cells that can differentiate into muscle cells and are important candidates for potential stem cell therapies of myopathies. We showed that the addition of the MAR 1 -68 in the piggyBac transposon did not interfere with transposition, thereby maintaining high frequency of transgene integrations in these cells. Moreover, the MAR allowed higher transgene expression from fewer transposon integration events. We also found that enriched transgene-expressing cell populations could be obtained without the need of selection pressure. Since antibiotic-enforced selection protocols often result in a higher integrated copy number and mosaic expression patterns, this strategy could benefit many applications in which a low copy number of integrated transgenes and antibiotic-free conditions are desired. In addition, the intramuscular transplantation of mouse tibialis anterior muscles with mesoangioblasts containing the transposon led to widespread and sustained myofiber transgene expression after differentiation of these cells in vivo. These findings indicated that piggyBac vectors may provide a viable approach to achieve stable gene transfer in the context of Duchenne muscular dystrophy therapy. - L'intégration sans effets cytotoxiques et l'expression à long terme d'un transgène constituent un défi majeur en thérapie génique et en biotechnologie. Dans ce contexte, les transposons représentent un système attrayant pour le transfert de gènes en raison de leur capacité à promouvoir l'intégration efficace d'un transgène dans une variété de lignées cellulaires. Toutefois, l'intégration d'un transgène peut conduire à une mutagénèse insertionnelle et/ou à une expression instable due au silençage du transgène suite à des modifications épigénétiques. Ces événements indésirables de silençage génique peuvent être diminués par l'utilisation d'éléments de contrôle de la chromatine appelés MAR (matrix attachment region). En effet, l'insertion de ces éléments d'ADN à proximité du transgène se traduit généralement par une expression plus élevée et plus stable de celui-ci, en permettant le maintien d'une chromatine dans une configuration active autour du transgène et en empêchant l'inactivation du gène. Dans cette étude, nous avons testé si l'inclusion du MAR 1-68 dans le système transposon piggyBac peut améliorer l'efficacité d'intégration de façon sécuritaire et l'expression à long terme d'un transgène. Le transposon contenant l'élément MAR a été testé dans les cellules CHO, couramment utilisées en biotechnologie, et dans des cellules progénitrices appelées mésoangioblastes, qui peuvent se différencier en cellules musculaires, et qui constituent ainsi des candidats prometteurs pour la thérapie à partir de cellules souches de patients souffrant de myopathie. Nous avons montré que l'addition du MAR 1-68 dans le transposon piggyBac n'interfère pas avec la transposition et permet de maintenir une fréquence élevée d'intégration du transgène dans ces deux types cellulaires. De plus, il semble que cette association mène à une meilleure expression du transgène à partir de peu d'événements d'intégration du transposon. En outre, ces populations enrichies en cellules exprimant de façon stable le transgène ont pu être obtenues sans avoir recours à une pression de sélection. Etant donné que les protocoles de sélection basée sur l'utilisation d'antibiotiques conduisent souvent à un nombre plus élevé de copies intégrées et à la variégation de l'expression du transgène et qu'ils impliquent une longue culture in vitro, cette stratégie pourrait profiter à des applications pour lesquelles on souhaite un faible nombre de copies intégrées et/ou l'utilisation d'antibiotiques n'est pas souhaitable. De plus, la transplantation intramusculaire de mésoangioblastes contenant le transposon dans le muscle tibial antérieur de souris a conduit, après la différentiation de ces cellules in vivo, à une expression constante et étendue du transgène dans les myofibres. Ces résultats indiquent que les vecteurs piggyBac pourraient fournir une approche viable pour assurer un transfert de gènes stables dans le contexte d'un traitement de la dystrophic musculaire de Duchenne.

Interactions of Adeno-associated virus Rep78 protein with the host cell

Abstract : Adeno-associated virus (AAV) is a small DNA virus belonging to the familiy of Parvoviridae. Its genome contains two genes : the rep gene encoding four non structural proteins (Rep78, 68, 52 and 40) implicated in transcription, replication and site-specific integration of the viral DNA and the cap gene encoding three capsid proteins. AAV does not cause any disease, but is studied in view of its potential use to treat several diseases. An interesting property of AAV is its antiproliferative effect. Two elements of AAV can inhibit cell growth. Firstly, the single stranded viral DNA is recognized in cells as damaged DNA leading to either a G2 block or cell death depending on p53 status. Secondly, the two larger Rep proteins (Rep78 and 68) also arrest the cell cycle when they are expressed at high levels. Rep78 in particular induces a complete cell cycle arrest in all the phases, including S phase. Such a strong S phase arrest is rarely seen in other conditions. It was thus interesting to determine how Rep78 could induce it. We found that this strong block is the consequence of Rep78's effects on at least two pathways. Rep78 induces a DNA damage response by producing nicks in the cellular chromatin. Furthermore, Rep78 can bind to the cellular phosphatase Cdc25A and prevent its binding to its substrates CDK2 and CDK1, thus inhibiting its activity. A mutational analysis of Rep78 protein determined that its endonuclease activity is responsible for the DNA damage response and its zinc finger domain for Cdc25A inhibition. The combined expression of two mutants each defective for one of these activities, or these two activities obtained independently of Rep78, could restore the complete cell cycle block, indicating that these two effects of Rep78 are likely to explain completely the cell cycle block it induces. Secondly, the lack of pathogenicity of AAV, its broad range of infection and its ability to integrate site-specifically in human chromosome 19 make it an interesting potential vector for gene therapy. However site-specific integration is only possible in the presence of Rep78/68 whose gene is removed in recombinant AAV vectors. In this part of the study, we tried to introduce Rep protein separately from recombinant AAV vectors to promote their site-specific integration. For that purpose, a fusion protein, TAT-Rep, comprising Rep78/68 joined to the human immunodeficiency virus Tat protein was produced. It had the ability to enter cells and remain active there for a short period. Its activity was sufficient to mediate transcription from the p5 promoter, second-strand synthesis of a recombinant AAV and probably site-specific integration. Résumé : Le virus associé à l'adénovirus (AAV) est un petit virus à ADN qui fait partie de la famille des Parvoviridae. Son génome contient deux gènes : le gène rep code pour quatre protéines (Rep78, 68, 52 et 40) qui participent à la transcription, la réplication et l'intégration du virus et le gène cap code pour les trois protéines de capside. AAV ne produit pas de maladie, mais pourrait au contraire être utilisé pour en soigner. Sa bénignité, sa capacité à infecter différents types de cellules et son intégration spécifique en font un vecteur potentiel pour la thérapie génique. Pour qu'il puisse s'intégrer spécifiquement, il a besoin de la protéine Rep78 ou 68, mais ce gène doit être enlevé des vecteurs pour la thérapie génique. Le but de la première partie de cette étude était d'introduire Rep78 ou 68 dans des cellules en même temps qu'un AAV recombinant, mais indépendamment afin de permettre une intégration spécifique. La stratégie utilisée était de produire une protéine de fusion (TAT-Rep) qui peut entrer dans des cellules si elle est présente dans leur milieu. Cette protéine entrait bien dans les cellules et y était active favorisant ainsi l'intégration spécifique. Une deuxième propriété d'AAV, son effet anti-prolifératif, est intéressante dans le cadre de certaines maladies comme le cancer. Deux éléments d'AAV en sont responsables. D'abord, son ADN simple brin active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé et arrête les cellules en G2 ou provoque leur mort. De plus, la protéine Rep78 d'AAV peut fortement bloquer le cycle cellulaire à toutes les phases, même en phase S, ce qui est rare. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre cet effet. Nous avons remarqué que Rep78 doit agir sur deux fronts pour obtenir ce fort bloc. D'un côté, Rep78 introduit des coupures simple brin sur l'ADN de la cellule ce qui active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé qui passe par ATM. D'un autre côté, Rep78 lie une phosphatase cellulaire, Cdc25A, et l'empêche ainsi de lier ses substrats CDK2 et CDK1 et donc d'être active. Finalement, à l'aide de mutants de Rep78, nous avons déterminé que l'activité endonuclease de Rep78 était nécessaire pour induire une réponse cellulaire via ATM et que le domaine C-terminal appelé «zinc finger » était responsable de la liaison avec Cdc25A. En co-exprimant deux mutants, qui n'ont chacun qu'un des effets de Rep78, ou en obtenant les deux effets de Rep78 indépendamment d'elle, nous avons obtenu un bloc complet du cycle cellulaire similaire à celui obtenu avec Rep78. Il est donc probable que ces deux effets de Rep78 sont suffisants pour expliquer comment elle arrive à arrêter le cycle cellulaire si efficacement.

Retinal degeneration progression changes lentiviral vector cell targeting in the retina

Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l'Unité de Thérapie Génique et Biologie des Cellules Souches de l'Hôpital Jules- Gonin dans le Service d'Ophtalmologie de l'Université de Lausanne. Ce laboratoire recherche des solutions thérapeutiques pour des maladies dégénératives et incurables de la rétine comme les rétinites pigmentaires (RP). Ayant déjà montré certains résultats dans le domaine, la thérapie génique a été notre outil pour ce travail. Cette méthode se base sur le principe de remplacer un gène déficient par sa copie normale, en transportant celle-ci au coeur même du noyau par un vecteur. Il existe à l'heure actuelle différents vecteurs. Un des plus efficaces est un vecteur viral non-réplicatif : le lentivirus, dérivé de HIV-1. Celui-ci a la capacité d'intégrer le génome de la cellule cible, lui conférant ainsi un nouveau matériel génétique. Notre but a été d'établir le tropisme du lentivirus dans une rétine en dégénérescence. Ce lentivirus est connu pour transduire efficacement les cellules de l'épithélium pigmentaire rétinien dans l'oeil adulte sain, ainsi que celles de la neurorétine, mais ce, uniquement durant le développement. On sait aussi que le vecteur lentiviral présente un tropisme différent selon les enveloppes dont il est muni ; par exemple, le lentivirus avec une enveloppe Mokola est connu pour transduire les cellules gliales du système nerveux central. La rétine qui dégénère montre quant à elle des changements de sa structure qui pourraient influencer la diffusion du vecteur et/ou son tropisme. Le postulat de base a été le suivant : chez l'adulte, la transduction des neurones de la rétine via le lentivirus pourrait être facilitée par l'altération de la membrane limitante externe induite par la dégénérescence (meilleure pénétrance du virus). D'un point de vue technique, nous avons utilisé deux types distincts de modèles murins de dégénérescence rétinienne : des souris Balb/C soumises à une dose toxique de lumière et les souris Rhodopsin knockout, animaux génétiquement modifiés. Comme vecteur viral, nous avons employé deux différents pseudotypes de lentivirus (caractérisés par les enveloppes virales) avec différents promoteurs (séquence d'ADN qui initie la transduction et confère la spécificité d'expression d'un gène). En changeant l'enveloppe et le promoteur, nous avons essayé de trouver la meilleure combinaison pour augmenter l'affinité du vecteur vis-à-vis des photorécepteurs d'abord, puis vis-à-vis d'autres cellules de la rétine. Nos résultats ont montré que la membrane limitante externe est effectivement altérée chez les deux modèles de dégénérescence, mais que cette modification ne favorise pas la transduction des photorécepteurs lorsqu'on utilise un vecteur lentiviral contenant une enveloppe VSVG et un promoteur photorécepteur-spécifique ou ubiquitaire. En effet, une forte réaction gliale a été observée. Par contre, en utilisant le lentivirus avec une enveloppe Mokola et un promoteur ubiquitaire, nous avons constaté une très bonne transduction au niveau des cellules de Millier dans la rétine en dégénérescence, phénomène non observé chez les souris sauvages. Ce travail a donc permis de trouver un vecteur viral efficace pour atteindre et transduire les cellules de Miiller, ceci seulement pendant la dégénérescence de la rétine. Ces cellules, une fois transduites, pourraient être utilisées pour sécréter dans la rétine des agents thérapeutiques tels que des facteurs neurotrophiques pour soutenir la survie des photorécepteurs ou des facteurs anti-angiogéniques pour prévenir la néo-vascularisation lors de diabète ou de dégénérescence maculaire liée à l'âge. - In normal mice, the lentiviral vector (LV) is very efficient to target the RPE cells, but transduces retinal neurons well only during development. In the present study, the tropism of LV has been investigated in the degenerating retina of mice, knowing that the retina structure changes during degeneration. We postulated that the viral transduction would be increased by the alteration of the iuter limiting membrane (OLM). Two different LV pseudotypes were tested using the VSVG arid the Mokola envelopes, as well as two animal models of retinal degeneration: light-damaged Balb-C and Rhodopsin knockout (Rho-/-) mice. After light damage, the OLM is altered and no significant increase of the number of transduced photoreceptors can be obtained with a LV-VSVG-Rhop-GFP vector. In the Rho-/- mice, an altération of the OLM was also observed, but the possibility of transducing photoreceptors was decreased, probably by ongoing gliosis. The use of a ubiquitous promoter allows better photoreceptor transduction, suggesting that photoreceptór-specific promoter activity change during late stages of photoreceptor degeneration. However, the number of targeted photoreceptors remains low. In contrast, LV pseudotyped with the tfokola envelope allows a wide dispersion of the ctor into the retina (corresponding to the injection bleb) with preferential targeting of Muller cells, a situation Mc\ does ot occur in the wild- type retina. Mokola-pseudotyped lentiviral vectors may serve to engineer these glial cells to deliver secreted therapeutic factors to a diseased area of the retina.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.

Analyse des modifications de la chromatine impliquées dans l'effet barrière de CTF1 aux télomères humains

Eukaryotic genomes are compartmentalized in different structural domains that can affect positively or negatively gene expression. These regions of euchromatin and heterochromatin are characterized by distinct histones marks which can facilitate or repress gene transcription. The chromatin environment represents thus one of the main problems to control gene expression in biotechnological applications or gene therapy, since its expression is affected by the chromatin neighboring its locus of insertion. Some chromatin regions like telomeres are composed of constitutive heterochromatin which leads to the telomeric position effect (TPE) that silences genes adjacent to the telomere. TPE is known to spread by the selfrecruitment of the SIR histone deacetylase complex from the telomere in S.cerevisiae, but the histone marks that are associated to telomeric chromatin in mammalian cells remain mostly unknown. The transcription factor CTF1 has shown antisilencing properties in mammalian cells and also a boundary activity against TPE in yeast cells when fused to the yeast Gal4 DNA binding domain. In the work presented here, we describe a dual-reporter system to assess the boundary activity of proteins such as CTF1 at human telomeres. When located between the two reporter genes, CTF1 shields the telomere distal gene from TPE, while the telomereproximal gene remains silenced by telomeric heterochromatin. The boundary activity of CTF1 is shown to act regardless its function of transcriptional activator, by opposition to the transcriptional activator VP16 which activates indifferently both transgenes. Moreover, this study shows that CTF1 boundary activity is linked to its H3 binding function, as expected from a chromatin remodeler. ChIP experiments showed that histone deacetylation is the main histone modification involved in gene silencing at mammalian cell telomeres. Distinctly to yeast cells, the histone deacetylation signal in human cells extented over a short range along the chromosome. CTF1 may help to block this propagation and therefore to restore histones acetylation level on telomere protected locus. Surprisingly, other histone marks such as trimethyl-H3K9 or trimethyl-H4K20 were found on telomere protected locus, while in another clone, unsilencing of telomere distal transgene was associated with recruitment of the histone variant H2A.Z. Thus, I conclude that CTF1 displays a chromatin boundary function which is independent of its transcriptional activity and therefore exhibit features required for use as chromatin insulator in biotechnological applications. RESUME Les génomes eucaryotes sont compartementalisés en domaines structurels qui peuvent affecter positivement ou négativement l'expression des gènes avoisinants. Ces régions dites d'euchromatine ou d'hétérochromatine sont caractérisées par des modifications posttraductionnelles des histones qui peuvent faciliter ou au contraire inhiber la transcription des gènes qui s'y trouvent. Ainsi, isoler un gène de son environnement chromatinien est problème fréquent lorsqu'il s'agit de contrôler son expression dans le cadre d'applications en biotechnologie ou encore en thérapie génique. Certaines régions de chromatine telles que les télomères sont composées d'hétérochromatine constitutive qui mène au silençage des gènes avoisinants. Cet effet de position télomérique (TPE) est connu dans la levure S.cerevisiae comme se propageant par auto-recrutement du complexe de déacétylation d'histone SIR, alors que peu de modifications de chromatine ont pu être associées à ce phénomène dans les cellules de mammifères. Le facteur de transcription CTF1 a montré des propriétés d'anti-silençage dans les cellules de mammifères, ainsi qu'une activité barrière contre le silençage télomérique dans les cellules de levures lorsqu'il est fusionné au domaine de liaison à l'ADN de la protéine de levure Gal4. Dans le travail présenté ci-après est décrit un système à deux gènes rapporteurs permettant de mesurer l'activité barrière de protéines telles que CTF1 aux télomères humains, et les modifications de chromatine qui y sont associées. Lorsque CTF1 est placé entre les deux gènes rapporteurs, le gène distant du télomère est protégé du silençage qui lui est associé, alors que le gène proche du télomère reste soumis à ce silençage induit par l'hétérochromatine télomérique. L'activité barrière de CTF1 est montrée ici comme agissant indépendamment de son activité transcriptionnelle, par opposition à l'activateur transcriptionnel VP16 qui active indifféremment les deux transgènes. En outre, cette étude appuie l'hypothèse stipulant que CTF1 agisse comme remodeleur chromatinien puisqu'elle démontre que son activité barrière est directement dépendante de son activité de liaison avec l'histone H3. De plus, des expériences d'immuno-précipitation de la chromatine démontrent que la déacétylation des histones est le majeur phénomène intervenant dans le silençage télomérique. Par opposition à la levure, ce signal de déacétylation ne se propage dans les cellules humaines que sur une courte distance le long du chromosome. CTF1 agit ainsi en bloquant cette propagation et en restaurant le niveau d'acétylation des histones sur le locus protégé du télomère. De manière surprenante et inattendue, d'autres modifications d'histones telles que 4 les H3K9 et H4K20 triméthylées sont aussi observées à ce locus, tandis le recrutement du variant H2A.Z peut aussi être suffisant à restaurer l'expression du gène distant du télomère. En terme de cette analyse, CTF1 exhibe ainsi une fonction de barrière chromatinienne qui exclue une activité transcriptionnelle non désirée - propriété qui est requise dans l'établissement des isolateurs visant à permettre le contrôle d'un transgène dans le cadre d'applications en biotechnologies.

Lentiviral vector-mediated gene transfer in adult mouse photoreceptors is impaired by the presence of a physical barrier

RESUME L'utilisation de la thérapie génique dans l'approche d'un traitement des maladies oculaires dégénératives, plus particulièrement de la rétinite pigmentaire, semble être très prometteuse (Acland et al. 2001). Parmi les vecteurs développés, les vecteurs lentiviraux (dérivé du virus humain HIV-1), permettent la transduction des photorécepteurs après injection sous-rétinienne chez la souris durant les premiers jours de vie. Cependant l'efficacité du transfert de gène est nettement plus limitée dans ce type cellulaire après injection chez l'adulte (Kostic et al. 2003). L'objet de notre étude est de déterminer si la présence d'une barrière physique produite au cours du développement, située entre les photorécepteurs et l'épithélium pigmentaire ainsi qu'entre les photorécepteurs eux-mêmes, est responsable de: la diminution de l'entrée en masse du virus dans les photorécepteurs, minimisant ainsi son efficacité chez la souris adulte. De précédentes recherches, chez le lapin, ont décrit la capacité d'enzymes spécifiques comme la Chondroïtinase ABC et la Neuraminidase X de modifier la structure de la matrice entourant les photorécepteurs (Inter Photoreceptor Matrix, IPM) par digestion de certains de ses constituants suite à leur injection dans l'espace sous-rétinien (Yao et al. 1990). Considérant l'IPM comme une barrière physique, capable de réduire l'efficacité de transduction des photorécepteurs chez la souris adulte, nous avons associé différentes enzymes simultanément à l'injection sous-rétinienne de vecteurs lentiviraux afin d'améliorer la transduction virale en fragilisant I'IPM, la rendant ainsi plus perméable à la diffusion du virus. L'injection sous-rétinienne de Neuraminidase X et de Chondroïtinase ABC chez la souris induit des modifications structurales de l'IPM qui se manifestent respectivement par la révélation ou la disparition de sites de liaison de la peanut agglutinin sur les photorécepteurs. L'injection simultanée de Neuraminidase X avec le vecteur viral contenant le transgène thérapeutique augmente significativement le nombre de photorécepteurs transduits (environ cinq fois). Nous avons en fait démontré que le traitement enzymatique augmente principalement la diffusion du lentivirus dans l'espace situé entre l'épithélium pigmentaire et les photorécepteurs. Le traitement à la Chondroïtinase ABC n'entraîne quant à elle qu'une légère amélioration non significative de la transduction. Cette étude montre qu'une meilleure connaissance de l'IPM ainsi que des substances capables de la modifier (enzymes, drogues etc.) pourrait aider à élaborer de nouvelles stratégies afin d'améliorer la distribution de vecteurs viraux dans la rétine adulte.

Lentiviral vectors efficiently transduce the EGFP gene into cardiomyocytes in vivo : immunohistology and Elisa quantification of the transgene

RESUME Les maladies cardio-vasculaires représentent la cause la plus importante de mortalité et de morbidité dans les pays occidentaux. La thérapie génique offre une nouvelle approche au traitement de ces maladies. L'expression de gènes protecteurs dans le myocarde par des technologies de transfert génique peut améliorer la fonction ventriculaire lors de l'insuffisance cardiaque ou stimuler la formation de nouveaux vaisseaux dans la maladie coronarienne. Etant donné qu'une majorité des maladies cardiaques sont des maladies chroniques, l'expression durable du gène thérapeutique introduit dans le coeur est souhaitable dans de nombreux cas. Malheureusement, l'utilité des vecteurs de transfert génique les plus utilisés en thérapie génique cardiovasculaire est limitée par une performance faible (ADN plasmidique) et une courte durée d'expression (adénovirus). Récemment, des vecteurs de transfert génique dérivés des lentivirus, une sous-famille des rétrovirus, ont retenu l'attention de la communauté scientifique en raison de leur capacité à exprimer des gènes à long terme. Contrairement aux vecteurs rétroviraux traditionnels, les vecteurs lentiviraux transduisent des gènes même dans des cellules qui ne se divisent pas, ce qui est le cas des cardiomyocytes adultes. Ces vecteurs présentent un profil de biosécurité comparable à celui des vecteurs rétroviraux traditionnels. Nous avons donc décidé de tester l'utilité des vecteurs lentiviraux pour le transfert génique dans des cardiomyocytes de rat adulte in vitro et in vivo. Plusieurs versions de vecteurs lentiviraux contenant différent promoteurs ont été construites. Ces vecteurs contenant le gène marqueur EGFP (enhanced green fluorescent protein) ont été testés dans des cardiomyocytes de rat in vitro, ainsi que dans des coeurs de rat in vivo. Le but de ces expériences était de déterminer la durée de l'expression du transgène après injection intramyocardique chez le rat. Pour ce faire, nous avons développé une technique ELISA pour détecter la protéine EGFP dans des extraits de tissu cardiaque. Les résultats ont montré que la protéine EGFP était encore présente à des niveaux significatifs jusqu'à dix semaines après l'injection de vecteurs lentiviraux, alors que l'expression transgénique obtenue avec un vecteur adénoviral traditionnel a été plus limitée dans le temps. Ces résultats démontrent la capacité des vecteurs lentiviraux à exprimer des gènes d'intérêt de manière performante et stable dans le cœur de rat adulte in vivo. SUMMARY Cardiovascular diseases are the first cause of morbidity and mortality in Western countries. Gene therapy offers a new approach to these diseases. Expression of therapeutic genes in the myocardium by gene transfer technologies can improve ventricular function in heart failure and stimulate neovascularization in coronary disease. Chronic heart diseases likely require sustained expression of the therapeutic gene within the heart itself. Unfortunately, the most commonly used vectors in cardiovascular gene therapy, i.e. plasmid DNA and recombinant adenovirus vectors, are limited by poor DNA uptake and transient transgene expression, respectively. Recently, lentivirus-derived vectors have attracted much interest because of their ability to achieve long-term transgene expression. In contrast to traditional retroviral vectors, lentiviral vectors are also able to transduce non- dividing cells, while presenting a comparable biosafety profile. Adult cardiomyocytes are terminally differentiated cells that do not divide under normal conditions. For these reasons, we have decided to evaluate the efficiency of lentiviral vectors for gene-transduction of adult cardiomyocytes both in vitro and in vivo. We constructed various types of lentiviral vectors containing various promoters. Vectors encoding EGFP as a reporter gene were tested in rat cardiomyocytes in vitro and in rat hearts in vivo. The aim of the experiments involved in this thesis work was to determine the duration of the expression of the transgene after rat intramyocardial injection using a quantitative assay. Therefore, an ELISA technique was set up to measure the EGFP protein in rat heart tissue extracts. Our results showed that the EGFP protein was still present at significant levels at ten weeks after lentiviral vector injection, whereas the duration of expression with adenoviral vectors was shorter. These results demonstrate that lentiviral vectors efficiently deliver genes and achieve sustained transgene expression in adult rat cardiomyocytes in vivo.

Development of novel immunotherapies against bladder cancer

Le cancer de la vessie est le deuxième cancer urologique le plus fréquent dans le monde. La plupart des patients (75%) sont initialement diagnostiqués avec un cancer non musculo- invasif. Après résection trans-urétrale, ie traitement standard pour ce type de lésion chez les patients présentant un risque important de récidive/progression consiste en une série d'instillations intravésicales du Bacille de Calmette-Guerin (i.e. le vaccin BCG). Cependant cette "BCG thérapie" est associée à des effets secondaires non négligeables et s'avère inefficace dans 30% des cas, des limitations donc importantes qui soulignent la nécessité de développer des stratégies thérapeutiques alternatives. L'utilisation d'antigènes associés aux tumeurs (TAA) comme vaccin, combinée à une application locale d'immunostimulants sur le site tumoral, est une approche prometteuse en vue de maximiser les réponses immunitaires anti-tumorales localement. Nous montrons que la bactérie vivante atténuée Ty21a, issue du vaccin Vivotif® contre la fièvre typhoïde, peut être utilisée comme immunostimulant intravésical (IVES), mais ce uniquement dans le cas où la bactérie est en phase exponentielle de croissance (Vivotif exp). En effet, l'instillation IVES de Vivotif exp à la suite d'une vaccination par un TAA, un antigène mineur d'histocompatibilité mâle H-Y (Uty), permet d'augmenter de 15 fois le nombre de cellules T CD8 totales et spécifiques de l'antigène dans la vessie. Le recrutement des cellules T est TLR4-dépendent, ce qui suggère un rôle des lipopolysaccharides du Vivotif exp. Par ailleurs, en comparaison avec le contenu bactérien de la capsule de Vivotif, les bactéries en phase exponentielle de croissance permettent également une augmentation préférentielle des chemokines C5/C5a, CXCL1, CXCL2 et CXCL5 dans la vessie, mais pas du nombre de cellules T exprimant les récepteurs apparentés (C5aR et CXCR2). De plus, combiner la vaccination Uty avec le Vivotif exp en IVES permet d'améliorer la survie des souris présentant une tumeur orthotopique de la vessie exprimant l'antigène Uty (lignée tumorale murine MB49). Puisque pour certains cancers, aucun TAA - du moins exprimé à tous les stades tumoraux - n'est identifié, il est nécessaire de développer d'autres approches non vaccinales. Dans une deuxième partie de ce travail de thèse, nous avons donc investigué deux stratégies permettant d'induire une destruction des cellules tumorales, la thérapie génique par gène de suicide, d'une part, et la thérapie photodynamique dans le proche infrarouge (NIR-PDT), d'autre part. Pour appliquer ces thérapies, nous avons utilisé comme vecteur sûr et non toxique une forme non réplicative du virus du « Human Papillomavirus » (HPV) capable de "pseudo-infecter" préférentiellement les souris présentant des tumeurs vésicales (MB49). L'utilisation de pseudovirions (PsV) HPV portant comme gène suicide la thymidine kinase, une enzyme du virus de l'herpès simplex, suivi d'un traitement par la prodrogue Ganciclovir, permet de tuer 90% des cellules MB49 in-vitro ainsi que de ralentir significativement le développement des tumeurs vésicales in-vivo. Par ailleurs, l'emploi de particules pseudo- virales HPV couplées à la phtalocyanine IR700, un pigment photosensible présentant un pouvoir cytotoxique une fois activé, permet de tuer, après application d'une lumière dans le proche infrarouge, quasi 100% des cellules MB49 in-vitro et, plus important, de régresser des tumeurs in-vivo. De façon générale, ce travail de thèse présente des approches thérapeutiques innovantes et prometteuses pour le traitement des patients avec un cancer non musculo-invasif de la vessie. -- Bladder cancer is the second most common urological malignancy in the world. At initial diagnosis, non-muscle invasive bladder cancer (NMIBC) accounts for 75% of bladder cancer. The standard of care of NMIBC consists of intravesical (IVES) treatments with Bacillus- Calmette-Guerin (BCG) following transurethral resections of the lesions. However, repeated BCG treatments are associated with significant side effects and treatment failure may occur in 30% of the cases, underlying the necessity of alternative therapeutic strategies. The use of tumor-associated antigens (TAA) as vaccines followed by the local application of immunostimulants where the tumor resides is a promising approach to increase anti-tumor immune responses locally. We show that live attenuated Ty21a bacteria used from the vivotif® vaccine against typhoid fever can efficiently be used as IVES immunostimulant, only if bacteria are grown to exponential phase (Vivotif exp). In this condition, IVES immunostimulation after TAA vaccination with a minor histocompatibility male antigen HY (Uty) resulted in more than 15-fold increase of both vaccine-specific and total CD8-T cells in the bladder. T cell recruitment was mediated by TLR-4 suggesting that it was mainly mediated by lipopolysaccharides of Vivotif exp. In addition, these bacteria, as compared to the bacterial content of the vivotif capsule preferentially increased C5/C5a, CXCL1, CXCL2 and CXCL5 chemokines, but not the numbers of T cells expressing the cognate receptors (C5aR and CXCR2). Combination of IVES Vivotif exp with Uty vaccination improved survival of mice with pre-established orthotopic Uty-expressing MB49 murine bladder tumors, as compared to vaccination alone. As known TAA are not identified in all cancers, or not expressed in all stages of the tumor, we further investigated two potent approaches able of initiating tumor-cell destruction, suicide-gene therapy and near-infrared (NIR) photodynamic therapy (PDT). Towards a safe and non-toxic application of these therapies, we used Human Papillomavirus (HPV) replication-defective vectors that were able to preferentially pseudo-infect MB49-tumor bearing mice. HPV pseudovirions (PsV) carrying the Herpex-Simplex virus thymidine kinase suicide-gene followed by treatment with the prodrug Ganciclovir resulted in 90% of MB49 cell-death in-vitro and was able to significantly reduce bladder tumor growth in-vivo. Furthermore, HPV virus-like particles coupled to a NIR phtalocyanine dye, IR700 in combination with specific NIR light led to almost 100% of MB49 cell-death in-vitro and more interestingly, to bladder tumors shrinkage in-vivo. Overall, in this thesis, we offer promising therapeutic approaches for application in NMIBC patients.

L'oeil, aux carrefours de l'humain

« Les yeux sont du visage humain la partie la plus noble et la plus importante, les yeux sont composés de corps, d'âme et d'esprit, ou plutôt les yeux sont la fenêtre où l'âme et l'esprit viennent se montrer » (Alphonse Karr, 1853). L'oeil est le regard, mais pour l'ophtalmologue il est aussi une fenêtre ouverte et un regard possible sur le reste du corps. Prolongement du système nerveux central en contact direct avec le monde extérieur dont il est l'un des « senseurs » le plus subtil et le plus complexe, il est sujet à des réactions inflammatoires, allergiques et toxiques chez l'enfant et chez l'adulte. Alors que notre environnement visuel change (modification des systèmes d'éclairage domestique dans les villes, écrans, mode de vie et habitudes de travail), que les polluants se multiplient et se combinent et que les environnements climatisés deviennent la règle, le nombre de patients souffrant de pathologies de la surface oculaire atteint 30 % des motifs de nos consultations et le nombre des patients myopes est en hausse. L'oeil est l'un des « senseurs » le plus subtil et le plus complexe Si la surface oculaire peut aussi être le témoin des pathologies systémiques, c'est la rétine qui en est plus fréquemment le reflet. Les atteintes du lit vasculaire, du nerf optique ou de la rétine peuvent être des manifestations de pathologies générales ou d'effets secondaires ou toxiques de médicaments. L'examen du fond d'oeil et la rétinophotographie restent les examens de dépistage de référence en particulier pour la rétinopathie diabétique, véritable fléau mondial et première cause de cécité dans les pays industrialisés chez les jeunes adultes. Mais ce n'est que par la collaboration entre ophtalmologues, médecins traitants et autres spécialistes que les pathologies rétiniennes peuvent être prises en charge de façon optimale pour qu'à des traitements oculaires spécifiques soit associée la prise en charge globale des maladies causales ou interférentes. Au-delà du fond d'oeil, les progrès technologiques contribuent au développement de multiples méthodes d'exploration des différentes structures de l'oeil offrant ainsi la possibilité d'utiliser l'oeil comme témoin de manifestations précoces de maladies neurologiques périphériques ou centrales. L'imagerie cornéenne semble aujourd'hui capable de révéler et de suivre de façon longitudinale la neuropathie diabétique périphérique et il n'est pas impossible que la rétine devienne le site de détection précoce de la maladie d'Alzheimer. Sur le plan de la prise en charge, l'ophtalmologue ne peut pas se contenter de traiter l'oeil, il doit aussi assurer une prise en charge pluridisciplinaire et accompagner le patient qui, perdant la vision, est sujet à la dépression et à la majoration de tout autre handicap. La perte visuelle est le handicap le plus redouté des populations et la perte d'autonomie qu'il induit limite l'observance et le suivi thérapeutique (comparable en termes de gravité ressentie à un « alitement brutal dans les suites d'un AVC »). La médecine personnalisée et les interactions multidisciplinaires prennent ici tout leur sens. Les développements thérapeutiques ont été majeurs ces dernières années et la cécité n'est plus une fatalité, au moins dans certains cas. Mais la rétine étant un tissu nerveux post-mitotique, les traitements et donc le dépistage doivent être précoces pour prévenir la perte visuelle irréversible. Spécifiquement, les espoirs lointains comme la thérapie génique entrent dans les essais cliniques laissant entrevoir la lumière au bout du tunnel. A portée de vue, la rétine artificielle constitue une avancée concrète, encore perfectible mais accessible dès aujourd'hui. Si les progrès sont manifestes dans le domaine de l'ophtalmologie, il reste encore beaucoup à apprendre et à comprendre en particulier dans les mécanismes pathogéniques multifactoriels des maladies oculaires plus fréquentes. Seule une exploration approfondie des maladies humaines pourra nous permettre de mieux appréhender de nouvelles stratégies thérapeutiques. Comme le disait André Isaac (1893-1975), pour voir loin, il faut regarder de près.

Thérapie cognitive et comportementale pour les hallucinations auditives résistantes au traitement neuroleptique

The aim of this study is to test the feasibility and the efficacy of a cognitive and behavior therapy manual for auditory hallucinations with persons suffering from schizophrenia in a French-speaking environment and under natural clinical conditions. Eight patients met ICD-10 criteria for paranoid schizophrenia, 2 for hebephrenic schizophrenia and 1 for schizoaffective disorder. All were hearing voices daily. Patients followed the intervention for 3 to 6 months according to their individual rhythms. Participants filled up questionnaires at pre-test, post-test and three months follow-up. The instruments were the Belief About Voice Questionnaire--Revised and two seven points scales about frequency of hallucinations and attribution of the source of the voices. Results show a decrease of voices' frequency and improvement in attributing the voices rather to an internal than to an external source. Malevolent or benevolent beliefs about voices are significantly decreased at follow-up as well as efforts at coping with hallucinations. Results should be interpreted with caution because of the small number of subjects. The sample may not be representative of patients with persistent symptoms since there is an over representation of patients with benevolent voices and an under representation of patients with substance misuse