Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

CEP78, a novel centrosomal protein

Contexte: Le centrosome est un petit organite bien connu pour son rôle dans l'établissement du fuseau bipolaire pendant la division cellulaire. Les déficiences de la fonction du centrosome donnent souvent lieu à des maladies humaines, y compris le cancer et la formation de kystes rénaux. Nous sommes intéressés à étudier la fonction d'une nouvelle protéine centrosomale nommée CEP78, identifiée dans un criblage protéomique pour de nouveaux composants centrosomaux. Méthodes et résultats : Le traitement des cellules avec le nocodazole, un agent qui dépolymérise spécifiquement les microtubules cytoplasmiques mais pas les microtubules stabilisés du centrosome, a montré que CEP78 est un composant centrosomal stable. La colocalisation de cette protéine avec d'autres marqueurs centrosomaux tels que CEP164, SAS6, Centrine, tubuline polyglutamylée et POC5, à différentes phases du cycle cellulaire a indiqué que CEP78 est précisément à l'extrémité distale des centrioles, mères et filles. Il existe deux pointts CEP78 au cours de l’interphase et les cellules passent par la mitose, procentrioles maturent, et le nombre de points de CEP78 augmente à 4 par cellule et, à la fin de la télophase chaque cellule fille possède 2 points CEP78. La caractérisation des domaines fonctionnels de CEP78 a montré que des répétitions riches en leucine sont nécessaires pour la localisation centrosomale de la protéine. En outre, nous avons constaté que la surexpression de CEP78 ne change pas le nombre de mères/procentrioles mais diminue le nombre et l'intensité des points de CEP170 (protéine d'appendice sous-distal) sans diminution du niveau d'expression de cette protéine. D'autres études ont montré qu'il n'y a pas d'interaction entre ces deux protéines. Enfin, la surexpression de CEP78 protège des microtubules contre la dépolymérisation en présence de nocodazole, ce qui suggère qu'il possède la capacité de lier les microtubules. Conclusion : Nos résultats suggèrent que CEP78 est destiné à l'extrémité distale des centrioles matures par ses répétitions riche en lecuine, où il pourrait être impliqué dans la maturation ou la régulation de l'assemblage ou de la rénovation de l'appendice sous-distal centriolaire, une structure connue dans la nucléation des microtubules et d'ancrage. Comprendre la fonction de Cep78 contribuera à éclaircir le rôle du centrosome dans le cycle cellulaire.

Angiopoietin like-2: a pro-inflammatory and pro-oxidative protein that contributes to endothelial dysfunction

Le vieillissement vasculaire est caractérisé par une dysfonction de l’endothélium. De nombreux facteurs de risque cardiovasculaire tels que l’obésité et l’hypertension prédisposent l’endothélium à un stress oxydant élevé aboutissant à une dysfonction endothéliale, celle-ci étant communément accompagnée d’une diminution de la biodisponibilité du monoxyde d’azote. Bien que la fonction endothéliale soit un déterminant majeur de la prédiction du risque cardiovasculaire des patients, son évaluation individuelle reste très limitée. En conséquence, il existe un intérêt scientifique grandissant pour la recherche de meilleurs biomarqueurs. L’Angiopoiétine like-2 (angptl2), une protéine identifiée récemment, joue un rôle pro-inflammatoire et pro-oxydant dans plusieurs désordres causés par une inflammation chronique allant de l’obésité à l’athérosclérose. L’inflammation et un stress oxydant accru ont été établis comme des mécanismes sous-jacents à l’apparition d’une dysfonction endothéliale, c’est pourquoi ce travail met l’accent sur le rôle de l’angptl2 dans la dysfonction endothéliale. Plus précisément, ce travail vise à: 1) déterminer les effets aigus de l’angptl2 sur la fonction endothéliale, 2) caractériser la fonction endothéliale et la contribution des différents facteurs relaxants dérivés de l'endothélium (EDRF) dans plusieurs lits vasculaires, et ce, dans un modèle de souris réprimant l’expression de l’angptl2 (knock-down, KD), et 3) examiner si l'absence d'expression angptl2 protège contre la dysfonction endothéliale induite par un régime riche en graisses (HFD) ou par perfusion d'angiotensine II (angII) chez la souris. Dans la première étude, l’incubation aigue avec de l’angptl2 recombinante induit une dysfonction endothéliale dans les artères fémorales isolées de souris de type sauvage (WT), probablement en raison d’une production accrue d'espèces réactives oxygénées. Les artères fémorales de souris angptl2 KD présentent une meilleure fonction endothéliale en comparaison aux souris WT, vraisemblablement par une plus grande contribution de la prostacycline dans la vasodilatation. Après 3 mois d’une diète HFD, les principaux EDRF respectifs des artères fémorales et mésentériques sont conservés uniquement dans les souris angptl2 KD. Cette préservation est associée à un meilleur profil métabolique, une moindre accumulation de triglycérides dans le foie et des adipocytes de plus petite taille. De plus, l’expression de gènes inflammatoires dans ces tissus adipeux n’est augmentée que chez les souris WT. Dans la seconde étude, l’absence d’angptl2 résulte en une production accrue de monoxyde d’azote dans les artères cérébrales isolées par rapport à celles des souris WT. La perfusion chronique d’angII provoque, seulement chez les souris WT, une dysfonction endothéliale cérébrale probablement par le biais d’une augmentation de la production d’espèces réactives oxygénées, probablement dérivé des NADPH oxydase 1 et 2, ainsi que l'augmentation des facteurs constricteurs dérivés de l’endothélium issus de la cyclo-oxygénase. En revanche, l’apocynine réduit la dilatation cérébrale chez les souris KD traitées à l’angII, ce qui suggère le recrutement potentiel d’une voie de signalisation compensatoire impliquant les NADPH oxydases et qui aurait un effet vaso-dilatateur. Ces études suggèrent fortement que l’angptl2 peut avoir un impact direct sur la fonction endothéliale par ses propriétés pro-inflammatoire et pro-oxydante. Dans une optique d’application à la pratique clinique, les niveaux sanguins d’angptl2 pourraient être un bon indicateur de la fonction endothéliale.

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Le rôle des acides gras oméga-3 sur la balance énergétique, la régulation de l’appétit, l’état émotionnel et l’implication du récepteur GPR120

L’obésité est un facteur de risque lié à des problèmes physiques, émotionnels et comportementaux. Aujourd’hui, l’alimentation est composée d’un régime typiquement occidental «Western diet» qui est riche en acides gras saturés (AGS) et pauvre en acides gras polyinsaturés (AGPI) tel que les oméga-3 (N-3) et occasionnant un déséquilibre du ratio alimentaire N-6/N-3. Ce déséquilibre est une des causes de la prévalence des maladies mentales y compris celles des troubles de l'humeur et de l’anxiété. L’acide docosahexaénoïque (ADH, 22: 6 n-3) est l’acide gras (AG) le plus abondant dans le cerveau et son accumulation est particulièrement élevée pendant la période périnatale. Il joue un rôle important dans le développement neuronal et d'autres fonctions du cerveau tel l'apprentissage et la mémoire. Des perturbations de l’environnement périnatal peuvent influencer à très long terme l’avenir de la descendance en la rendant plus susceptible de développer des problèmes d’obésité dans un contexte nutritionnel riche. On ignore cependant si le déficit alimentaire chez la mère et particulièrement en ADH aura un impact sur la motivation alimentaire de la progéniture. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le rôle potentiel des N-3 sur la balance énergétique, la motivation alimentaire, la dépression et le niveau d’anxiété des descendants de souris mâles adultes assujetties à une alimentation riche en gras. Nos données ont démontré qu‘un régime maternel déficitaire en ADH durant la période périnatale incitait la descendance à fournir plus d’effort afin d’obtenir un aliment palatable. Ceci entraînerait un dérèglement de l’homéostasie énergétique en augmentant le gain de poids et en diminuant l’activité locomotrice tout en exacerbant le comportement de type anxieux dès que les souris sont exposées à un milieu obésogène. Les acides gras libres (AGL) sont des nutriments essentiels fonctionnant comme des molécules de signalisation dans le cerveau en ayant des récepteurs qui jouent un rôle important dans le contrôle du métabolisme énergétique. Parmi eux, on distingue un récepteur couplé à la protéine G (GPCR), le GPR120. Ce récepteur activé par les AGPI ω-3 intervient dans les mécanismes anti-inflammatoires et insulino-résistants via les N-3. Une mutation dans le gène GPR120 occasionnée par une réduction de l’activité de signalisation du gène est liée à l’obésité humaine. L'objectif premier de cette deuxième étude était d’évaluer l'impact de la stimulation pharmacologique de GPR120 dans le système nerveux central (SNC) sur l'alimentation, les dépenses d'énergie, le comportement de type anxieux et la récompense alimentaire. Nos résultats démontrent qu’une injection centrale aiguë d'agoniste GPR120 III réduit la prise alimentaire ad libitum et la motivation alimentaire pour un aliment riche en gras et en sucre; ainsi que les comportements de type anxieux. L’injection centrale chronique (21 jours) de ce même agoniste GPR120 III transmis par une pompe osmotique a démontré que les souris placées sous diète hypercalorique (HFD n’ont présenté aucune modification lors de la prise alimentaire ni de gain de poids mais qu’il y avait comparativement au groupe de véhicule, une réduction du comportement de type anxieux, que ce soit dans le labyrinthe en croix surélevé (LCS) ou dans le test à champ ouvert (OFT). L’ADH est reconnu pour ses propriétés anorexigènes au niveau central. De plus, la stimulation des récepteurs de GPR120 au niveau du cerveau avec un agoniste synthétique peut produire un effet intense intervenir sur le comportement lié à l'alimentation des rongeurs. Trouver une approche visant à contrôler à la fois la neuroinflammation, la récompense alimentaire et les troubles émotionnels aiderait assurément au traitement de l'obésité et du diabète de type 2.