Expression of steroidogenic proteins and genes in bovine placenta from conventional and somatic cell nuclear transfer (SCNT) gestations

Pendant la grossesse, les hormones stéroïdes jouent un rôle indispensable dans la régulation des principales manifestations physiologiques telles que la reconnaissance maternelle de la gestation, la réceptivité de l'endomètre, le début du développement embryonnaire ainsi que le maintien de la gestation. Cependant, on sait très peu sur la production de ces hormones et les principaux facteurs des voies intracellulaires impliqués dans le processus de stéroïdogenèse dans le placenta bovin pendant les stades initiaux et plus avancés de la gestation. Par ailleurs, certaines anomalies du placenta chez les bovins suite à une mauvaise production de stéroïdes n'ont pas encore été démontrées. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : 1) déterminer la présence et la localisation des principales protéines stéroïdiennes dans le placenta de bovins provenant de gestations de 50 à 120 jours, 2) comparer l'expression placentaire d'une série de gènes et de protéines stéroïdiennes entre une gestation impliquant un transfert de noyaux de cellules somatiques (SCNT) et une gestation non-clonale; 3) étudier l'impact des hormones trophiques et des seconds messagers sur la stéroïdogenèse dans le placenta bovin à 140 +10 jours de gestation. L’utilisation de techniques d’immunohistochimie, d’immunobuvardage et de PCR quantitatif nous a permis d’évaluer la présence d'un large éventail de gènes stéroïdiens (STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1 et SCARB1) qui participent au transport du cholestérol et dans la production de différents types de stéroïdes. Dans cette thèse, nous avons démontré la capacité du placenta bovin d’initier la stéroïdogenèse au début de la gestation et nous avons également déterminé les principales cellules impliquées dans ce processus. Nous avons constaté que les tissus maternels expriment les principaux marqueurs de stéroïdogenèse suggérant une plus grande capacité stéroïdogénique que les tissus fœtaux. En outre, un modèle d'expression des protéines complémentaires stéroïdogéniques entre la caroncule et le cotylédon a été observé, indiquant que la stéroïdogenèse placentaire exige une communication cellule à cellule entre les cellules de la mère et du fœtus. Après avoir démontré les principales cellules impliquées dans la synthèse des hormones stéroïdiennes dans le placenta bovin en début de gestation, nous avons ensuite étudié les modifications possibles de la stéroïdogenèse dans les tissus SCNT cotylédonaires à 40 jours de gestation. Nous avons identifié d'importantes modifications dans l'expression des gènes STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1, et SULT1E1. Conséquemment, nous postulons que l'expression réduite des gènes stéroïdiens peut provoquer une insuffisance de la biosynthèse des hormones stéroïdiennes, ce qui pourrait contribuer à un développement anormal du placenta et du fœtus dans les gestations SCNT à court ou long terme. Finalement, nous avons développé un modèle efficace de culture d’explants de placentome qui nous a permis d'explorer les mécanismes sous-jacents spécifiques à la stéroïdogenèse placentaire. Nous avons exploré l'effet stimulant des hormones trophiques et différents messagers secondaires sur l'expression de différentes protéines stéroïdogéniques ainsi que le taux de progestérone (P4) dans les explants de placentome. En utilisant les techniques de RIA et de PCR quantitatif, nous avons constaté que même si les analogues de l'hormone lutéinisante (hCG) ont un effet stimulant sur plusieurs gènes stéroïdiens, le calcium ionophore est le principal modulateur dans la synthèse de la P4. Ces résultats suggèrent que dans le placenta bovin, la synthèse de la P4 est modulée principalement par l'afflux de calcium intracellulaire, et apparemment les nucléotides cycliques ne semblent pas contrôler ce processus. En conclusion, cette étude contribue de manière significative à une meilleure compréhension des mécanismes d'entraînement de la synthèse des stéroïdes placentaires au début de la gestation et permet aussi d’apporter de nouveaux éclairages sur l'importance des stéroïdes placentaires dans la régulation du développement du placenta et du fœtus.

A comparative approach to somatic cell nuclear transfer in the rhesus monkey

BACKGROUND: Despite the potential utility of primate somatic cell nuclear transfer (SCNT) to biomedical research and to the production of autologous embryonic stem (ES) cells for cell- or tissue-based therapy, a reliable method for SCNT is not yet availab

Reprogramming following somatic cell nuclear transfer in primates is dependent upon nuclear remodeling

BACKGROUND: Somatic cell nuclear transfer (SCNT) requires cytoplast-mediated reprogramming of the donor nucleus. Cytoplast factors such as maturation promoting factor are implicated based on their involvement in nuclear envelope breakdown (NEBD) and prema

Epigenetic marks in cloned rhesus monkey embryos: Comparison with counterparts produced in vitro

Until now, no primate animals have been successfully cloned to birth with somatic cell nuclear transfer (SCNT) procedures, and little is known about the molecular events that occurred in the reconstructed embryos during preimplantation development. In man

Impairments in embryonic genome activation in rhesus monkey somatic cell nuclear transfer embryos

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) is a remarkable process in which a somatic cell nucleus is acted upon by the ooplasm via mechanisms that today remain unknown. Here we show the developmental competence (% blastocyst) of embryos derived from SCNT (21%)

HSPC117 deficiency in cloned embryos causes placental abnormality and fetal death

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) has been successfully used in many species to produce live cloned offspring, albeit with low efficiency. The low frequency of successful development has usually been ascribed to incomplete or inappropriate reprogramming of the transferred nuclear genome. Elucidating the genetic differences between normal fertilized and cloned embryos is key to understand the low efficiency of SCNT. Here, we show that expression of HSPC117, which encodes a hypothetical protein of unknown function, was absent or very low in cloned mouse blastocysts. To investigate the role of HSPC117 in embryo development, we knocked-down this gene in normal fertilized embryos using RNA interference. We assessed the post-implantation survival of HSPC117 knock-down embryos at 3 stages: E9 (prior to placenta formation); E12 (after the placenta was fully functional) and E19 (post-natal). Our results show that, although siRNA-treated in vivo fertilized/produced (IVP) embryos could develop to the blastocyst stage and implanted without any difference from control embryos, the knock-down embryos showed substantial fetal death, accompanied by placental blood clotting, at E12. Furthermore, comparison of HSPC117 expression in placentas of nuclear transfer (NT), intracytoplasmic sperm injection (ICSI) and IVP embryos confirmed that HSPC117 deficiency correlates well with failures in embryo development: all NT embryos with a fetus, as well as IVP and ICSI embryos, had normal placental HSPC117 expression while those NT embryos showing reduced or no expression of HSPC117 failed to form a fetus. In conclusion, we show that HSPC117 is an important gene for post-implantation development of embryos, and that HSPC117 deficiency leads to fetal abnormalities after implantation, especially following placental formation. We suggest that defects in HSPC117 expression may be an important contributing factor to loss of cloned NT embryos in vivo. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Identification of Differentially Expressed Genes Between Cloned and Zygote-Developing Zebrafish (Danio rerio) Embryos at the Dome Stage Using Suppression Subtractive Hybridization

Comparative analyses of differentially expressed genes between somatic cell nuclear transfer (SCNT) embryos and zygote-developing (ZD) embryos are important for understanding the molecular mechanism underlying the reprogramming processes. Herein, we used the suppression subtractive hybridization approach and from more than 2900 clones identified 96 differentially expressed genes between the SCNT and ZD embryos at the dome stage in zebrafish. We report the first database of differentially expressed genes in zebrafish SCNT embryos. Collectively, our findings demonstrate that zebrafish SCNT embryos undergo significant reprogramming processes during the dome stage. However, most differentially expressed genes are down-regulated in SCNT embryos, indicating failure of reprogramming. Based on Ensembl description and Gene Ontology Consortium annotation, the problems of reprogramming at the dome stage may occur during nuclear remodeling, translation initiation, and regulation of the cell cycle. The importance of regulation from recipient oocytes in cloning should not be underestimated in zebrafish.

体细胞核移植影响因素的研究

尽管体细胞核移植(somatic cell nuclear transfer, SCNT)技术仍然处于 起步发展阶段，但是随着体细胞核移植技术在近些年来的飞速发展，人们已经得 到了多种哺乳动物体细胞核移植的存活后代。体细胞核移植技术在生物医药、农 业及其它领域的应用显示了这项技术的巨大发展前景。另一方面，人们发现体细 胞核移植效率低下并且体细胞克隆动物存在许多缺陷，这些主要是由于核移植技 术，供体细胞选择，体外培养系统以及卵母细胞的状态等的差异导致的。本研究 主要围绕着这些因素在体细胞核移植过程中对于克隆胚胎植入前后发育的影响 而开展，目的在于提高体细胞核移植的效率。 实验一，研究了几个因素对克隆胚胎发育和克隆效率的影响，为提高体细胞 核移植效率提供一些依据。这部分研究主要包括四倍体半克隆小鼠研究和蛋白酶 体抑制剂在克隆胚胎和孤雌激活胚胎发育中的影响。四倍体体细胞半克隆 （tetraploid semi-cloned , TSC）胚胎的体外发育结果表明，虽然TSC 胚胎可 能避免二倍体半克隆胚胎发育过程中的非整倍体现象，但是仍然不能形成胎儿。 另外，利用蛋白酶体抑制剂MG132 处理克隆胚胎的结果表明，虽然MG132 通过抑 制成熟促进因子（maturation promoting factors，MPF）活性的降低可以提高 克隆胚胎的体外发育率，但是没有改变克隆胚胎的质量。 实验二，研究了克隆技术在克隆胚胎构建和发育上的影响。首先，我们研究 了完整颗粒细胞注射到卵母细胞中所引起的变化。我们发现完整的颗粒细胞注入 到卵母细胞中之后很快引起细胞膜裂解和细胞核碎裂，从而导致激活后重构胚胎 的碎裂。这一实验表明完整供体细胞核注入的方法不适用于小鼠体细胞克隆。接 下来我们研究了不同的核移植技术――利用piezo 的直接注射法（piezoelectric microinjection，PEM）和电融合法（Electrofusion，EF）――对植入前后的克隆胚 胎以及出生后的克隆动物的影响。研究的结果发现，在PEM 法中，提高piezo 脉 冲的强度会导致供体细胞核DNA 断裂增加，使植入前克隆胚胎的细胞数目减少， 凋亡增加，从而降低克隆胚胎的质量。相反，在用EF 法产生的胚胎中细胞核DNA 的断裂很少，克隆胚胎质量相对较好。实验的结果表明，由于两种克隆技术利用 的原理不同，会对克隆胚胎的发育产生一定的影响，从而改变克隆的效率。 实验三，研究了猕猴体细胞克隆胚胎早期发育过程中细胞核内有丝分裂器蛋 白[Nuclear Mitotic Apparatus Protein，NuMA]的表达和分布。尽管在有些猕猴体 细胞核移植胚胎中没有检测到NuMA 的正确表达和分布并且有些胚胎出现了微 管组装异常，但是大多数猕猴体细胞核移植胚胎具有正常的NuMA 蛋白表达和 正常的核型。通过改进操作技术我们得到了可以发育到正常囊胚的猕猴体细胞核 移植胚胎。这些结果提示猕猴SCNT 胚胎发育失败的原因不是NuMA 等重要蛋 白的缺失。

猕猴胚胎干细胞自我更新机理及WNT 信号通路在猕猴胚胎早期发育中作用的研究

尽管大部分动物实验是在啮齿类动物上开展的，我们仍然相信涉及人类的许多问题，如胚胎干细胞的体内功能、调亡和肿瘤形成等只有在非人灵长类模型上才能得到最好的回答。猕猴(标准的非人灵长类动物模型)在解剖、生理和代谢方面都和人类非常相似。人类很多神经疾病，如阿尔茨海默氏病、帕金森病，只能在非人灵长类模型上才能精确建模。所以研究猕猴胚胎干细胞自我更新的原理及猕猴胚胎早期发育，对研究免疫排斥，检测基于胚胎干细胞的治疗的可行性，安全性和有效性具有重要意义。本文一方面对胚胎干细胞维持自我更新和多潜能性的机理研究进行了综述，另一方面对以下两个方面的内容进行了研究： 1）运用寡核苷酸芯片和定量PCR 验证的方法来分析五株猕猴饲养层细胞的表达模式，期望发现在支持性和非支持性的饲养层细胞中差异性表达的基因。我们着重定位于饲养层胞外空间和细胞膜上的细胞因子，因为这些因子可以通过直接接触或通过膜结合受体激活下游信号通路，并最终促进猕猴胚胎干细胞的自我更新。我们发现在支持性的饲养层中有八个基因是高表达的，他们是GREM2， bFGF，KITLG，DKK3，GREM1，AREG，SERPINF1 和LTBP1； 经定量PCR 验证的SCF，bFGF 和GREM2 的表达情况都和芯片数据吻合。 2）为了描述在IVF (in vitro fertilized, 体外受精)，ICSI (intracytoplasmic sperm injection, 单精注射)，SCNT (somatic cell nuclear transfer, 体细胞核移植)和孤雌生殖猕猴囊胚中WNT 信号通路的表达情况，我们运用了信号通路特异性PCR Array 系统及免疫细胞化学来检测mRNA 和蛋白表达水平。其中，ICSI 作为IVF 胚胎的参照组，以排除显微操作对胚胎质量的影响。结果，我们发现非经典WNT/JNK 信号，而不是经典WNT 信号通路，在IVF 正常胚胎发育中起作用。而体细胞核移植和孤雌生殖的胚胎的WNT 信号通路基因表达明显高于正常胚胎。WNT 信号通路基因的表达模式可以作为胚胎质量的一个指示标准，有助于回答为什么猕猴 SCNT 和孤雌生殖胚胎发育异常。

Development of a Piggybac based direct reprogramming system for derivation of integration free induced pluripotent stem cells

Induced pluripotent stem cells (iPSc) have great potential for applications in regenerative medicine, disease modeling and basic research. Several methods have been developed for their derivation. The original method of Takahashi and Yamanaka involved the use of retroviral vectors which result in insertional mutagenesis, presence in the genome of potential oncogenes and effects of residual transgene expression on differentiation bias of each particular iPSc line. Other methods have been developed, using different viral vectors (adenovirus and Sendai virus), transient plasmid transfection, mRNA transduction, protein transduction and use of small molecules. However, these methods suffer from low efficiencies; can be extremely labor intensive, or both. An additional method makes use of the piggybac transposon, which has the advantage of inserting its payload into the host genome and being perfectly excised upon re-expression of the transposon transposase. Briefly, a policistronic cassette expressing Oct4, Sox2, Klf4 and C-Myc flanked by piggybac terminal repeats is delivered to the cells along with a plasmid transiently expressing piggybac transposase. Once reprogramming occurs, the cells are re-transfected with transposase and subclones free of tranposon integrations screened for. The procedure is therefore very labor intensive, requiring multiple manipulations and successive rounds of cloning and screening. The original method for reprogramming with the the PiggyBac transposon was created by Woltjen et al in 2009 (schematized here) and describes a process with which it is possible to obtain insert-free iPSc. Insert-free iPSc enables the establishment of better cellular models of iPS and adds a new level of security to the use of these cells in regenerative medicine. Due to the fact that it was based on several low efficiency steps, the overall efficiency of the method is very low (<1%). Moreover, the stochastic transfection, integration, excision and the inexistence of an active way of selection leaves this method in need of extensive characterization and screening of the final clones. In this work we aime to develop a non-integrative iPSc derivation system in which integration and excision of the transgenes can be controlled by simple media manipulations, avoiding labor intensive and potentially mutagenic procedures. To reach our goal we developed a two vector system which is simultaneously delivered to original population of fibroblasts. The first vector, Remo I, carries the reprogramming cassette and GFP under the regulation of a constitutive promoter (CAG). The second vector, Eneas, carries the piggybac transposase associated with an estrogen receptor fragment (ERT2), regulated in a TET-OFF fashion, and its equivalent reverse trans-activator associated with a positive-negative selection cassette under a constitutive promoter. We tested its functionality in HEK 293T cells. The protocol is divided in two the following steps: 1) Obtaining acceptable transfection efficiency into human fibroblasts. 2) Testing the functionality of the construct 3) Determining the ideal concentration of DOX for repressing mPB-ERT2 expression 4) Determining the ideal concentration of TM for transposition into the genome 5) Determining the ideal Windows of no DOX/TM pulse for transposition into the genome 6) 3, 4 and 5) for transposition out of the genome 7) Determination of the ideal concentration of GCV for negative selection We successfully demonstrated that ENEAS behaved as expected in terms of DOX regulation of the expression of mPB-ERT2. We also demonstrated that by delivering the plasmid into 293T HEK cells and manipulating the levels of DOX and TM in the medium, we could obtain puromycin resistant lines. The number of puromycin resistant colonies obtained was significantly higher when DOX as absent, suggesting that the colonies resulted from transposition events. Presence of TM added an extra layer of regulation, albeit weaker. Our PCR analysis, while not a clean as would be desired, suggested that transposition was indeed occurring, although a background level of random integration could not be ruled out. Finally, our attempt to determine whether we could use GVC to select clones that had successfully mobilized PB out of the genome was unsuccessful. Unexpectedly, 293T HEK cells that had been transfected with ENEAS and selected for puromycin resistance were insensitive to GCV.

Morphological and functional characterization of placenta during gestation in bovine clones derived by somatic nuclear transfer

La technique de clonage par transfert nucléaire de cellules somatiques (SCNT) présente une page importante dans les annales scientifiques, mais son application pratique demeure incertaine dû à son faible taux de succès. Les anomalies placentaires et de développement fœtal se traduisent par des pertes importantes de gestation et des mortalités néonatales. Dans un premier temps, la présente étude a caractérisé les changements morphologiques des membranes fœtales durant la gestation clonée en les comparant à des gestations contrôles obtenues à partir de l’insémination artificielle. Les différentes anomalies morphologiques des placentomes telles que l’œdème chorioallantoique, la présence de zones hyperéchoiques et irrégulières dans la membrane amniotique et la présence de cellules inflammatoires dégénérées compromettent le développement fœtal normal de la gestation clonée. L’examen ultrasonographique représente une technique diagnostique importante pour faire le suivi d’une gestation et de caractériser les changements placentaires dans le cadre d’évaluation globale du bien-être fœtal. Le profil hormonal de trois stéroïdes (progestérone (P4), estrone sulfate (E1S), et œstradiol (E2)) et de la protéine B spécifique de gestation (PSPB) dans le sérum des vaches porteuses de clones SCNT a été déterminé et associé aux anomalies de gestations clonées. Une diminution de la P4 sérique au jour 80, une élévation du niveau de la concentration de la PSPB au jour 150, et une augmentation de la concentration d’E2 sérique durant le deuxième et troisième tiers de la gestation clonée coïncident avec les anomalies de gestation déjà reportées. Ces changements du profil hormonal associés aux anomalies phénotypiques du placenta compromettent le déroulement normal de la gestation clonée et gênent le développement et le bien-être fœtal. Sur la base des observations faites sur le placenta de gestation clonée, le mécanisme moléculaire pouvant expliquer la disparition de l’épithélium du placenta (l’interface entre le tissue maternel et le placenta) a été étudié. L’étude a identifié des changements dans l’expression de deux protéines d’adhérence (E-cadhérin et β-catenin) de cellules épithéliales pouvant être associées aux anomalies du placenta chez les gestations clonées. Le tissu de cotylédons provenant de gestations clonées et contrôles a été analysé par Western blot, RT-PCR quantitatif, et par immunohistochimie. Les résultats présentaient une diminution significative (p<0.05) de l’expression des dites protéines dans les cellules trophoblastiques chez les gestations clonées. Le RT-PCR quantitatif démontrait que les gènes CCND1, CLDN1 et MSX1 ciblés par la voie de signalisation de la Wnt/β-catenin étaient significativement sous exprimés. La diminution de l’expression des protéines E-cadherin et β-catenin avec une réduction de l’activation de la protéine β-catenin durant le période d’attachement de l’embryon peut potentiellement expliquer l’absence totale ou partielle de l’attachement des membranes fœtales au tissu maternel et éventuellement, l’insuffisance placentaire caractéristique des gestations clonées chez la vache. La caractérisation morphologique et fonctionnelle du placenta durant les gestations clonées à haut risque est essentielle pour évaluer le statut de la gestation. Les résultats de la présente étude permettront de prédire le développement et le bien-être fœtal de façon critique à travers un protocole standardisé et permettre des interventions médicales pour améliorer le taux de succès des gestations clonées chez les bovins.

Heteroplasmy in mammal mitochondrial deoxyribonucleic acid

La nature a développé diverses stratégies afin d’assurer le commencement de la vie dans des conditions d’homoplasmie, c’est-à-dire des conditions telles que les cellules sont dotées du même ADN mitochondrial. Toutefois, des nouveaux haplotypes de l’acide désoxyribonucléique mitochondrial (ADNmt) peuvent apparaitre et croître de plusieurs façons tout au long de la durée d’une vie menant à l’hétéroplasmie. Par exemple, l’hétéroplasmie de l’ADNmt peut être créée artificiellement par des technologies reproductives assistées, ainsi que naturellement par le processus de vieillissement. De ce fait, la thèse de ce doctorat fut divisée en deux principaux objectifs. Le premier étant celui d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt produit par le transfert nucléaire des cellules somatiques (SCNT) lors du développement de l’embryon jusqu’au fœtus et aux tissus adultes de bovins clonés. En ce qui concerne le second objectif, il s’agit d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt causés par le vieillissement dans une cellule somatique adulte et dans des tissus germinaux durant l’ovogénèse, ainsi qu’au début de l’embryogenèse et dans la procédure de culture in vitro sur des souris. Dans la première série d’expériences sur des bovins, des fibroblastes fœtaux transportant une mutation d’ADNmt (insertion de 66 pb) furent fusionnés avec des ovocytes receveurs transportant l’ADNmt du type sauvage. La présence d’ADNmt venant de la cellule donneuse a été analysée à différents stades de développement, soit sur des embryons âgés de 17 jours (n=17), des fœtus âgés de 40 jours (n=3), des fœtus âgés de 60 jours (n=3), un fœtus âgé de 240 jours et 3 clones post-nataux âgés de 18 à 24 mois. Chaque individu s’est avéré être hétéroplasmique et 99 % (103/104) des échantillons de tissus analysés étaient également hétéroplasmiques. Cependant, l’ovaire venant du fœtus de 240 jours fut le seul à être homoplasmique pour l’ADNmt de l’ovocyte receveur. Dans la plupart des échantillons analysés (95,2 %, soit 99/104) la moyenne d’hétéroplasmie était de 1,46 %. Par contre, un fœtus âgé de 40 jours a présenté un niveau élevé d’hétéroplasmie (20,9 %), indiquant ainsi que des évènements rares d’augmentation de l’ADNmt des cellules donneuses peuvent survenir. Étant donné que la majorité des clones SCNT montrait de l’hétéroplasmie de l’ADNmt à des proportions comparables à celles des cellules donneuses au moment de la reconstruction de l’embryon, on a pu conclure que l’hétéroplasmie produite par des techniques de transfert nucléaire utilisant des cellules somatiques est due à une ségrégation neutre de l’ADNmt. Dans la seconde série d’expériences sur des souris, des femelles de différents âges, c.à.d. jeunes (0 – 8 mois), moyennes (8 – 16 mois) et vieilles (16 – 24 mois), ont été synchronisées (gonadotrophines) et sacrifiées dans le but d’obtenir des ovocytes au stade de vésicule germinal, et des ovocytes au stade métaphase-II produits in vivo et in vitro. De plus, des embryons in vivo et in vitro au stade de deux-cellules et des embryons au stade de blastocystes ont été obtenus de femelles jeunes. Différents tissus somatiques, venant de femelles des trois stades d’âge ont été obtenus : cerveau, foie, muscle et du cumulus ovocytaire. De plus, l’effet du vieillissement a été mesuré selon la fertilité de la femelle. En effet, les effets sur l’hétéroplasmie du vieillissement, du stade de développement et de la culture in vitro ont été mesurés dans des ovocytes et dans des embryons. Les effets du vieillissement sur les mitochondries ont été mesurés par rapport au nombre total de copies de l’ADNmt, au pourcentage des délétions communes et sur l’expression de trois gènes : Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. Il a été possible d’observer que la fertilité des femelles dans la colonie de souris diminuait avec l’âge. En fait, le vieillissement affectait l’ADNmt dans les tissus somatiques, cependant il n’avait pas d’effet sur le cumulus, les ovocytes et les embryons. Le nombre de délétions de l’ADNmt augmentait pendant la reprise de la méiose et celui-ci diminuait au début du développement embryonnaire. La culture in vitro n’affectait pas la quantité d’ADNmt dans la plupart des tissus germinaux. Puisque nous n’avons pas trouvé d’effet de l’âge dans la majorité des paramètres mitochondriaux analysés dans les ovocytes et les embryons, il est suggéré que la délétion commune de l’ADNmt dans les tissus germinaux est davantage reliée au statut cellulaire de la production d’énergie qu’au processus de vieillissement. Deux sources différentes de mutations de l’ADNmt produites dans les ovocytes normaux ou reconstitués ont produit différents résultats d’hétéroplasmie au début de l’embryogénèse. Chez les bovins, l’hétéroplasmie artificielle impliquant une petite insertion (66 pb) dans la région non codante (D-loop) de l’ADNmt a été vraisemblablement non nocive pour l’embryon, tolérant la persistance de l’ADNmt étranger pendant les différents stades du développement des clones. Chez les souris, l’hétéroplasmie naturelle produite par une grande délétion (4974 pb délétion commune) dans la région codante de l’ADNmt a été vraisemblablement nocive pour l’embryon et par conséquent éliminée pour assurer l’homoplasmie au début du développement embryonnaire.

Dérivation de cellules souches pluripotentes induites autologues à partir du clonage somatique équin

Le recours aux cellules souches pour améliorer la réparation et guérison des blessures et maladies musculosquelettiques chez le cheval est de plus en plus fréquent. Les développements récents dans la reprogrammation cellulaire ont permis le développement de nouvelles sources de cellules souches pour ces thérapies régénératives. Des cellules souches pluripotentes induites (iPS) autologues peuvent être dérivées de cellules adultes par la reprogrammation directe à travers l'expression induite des gènes de pluripotence. Le clonage par transfert nucléaire (SCNT) suivi de la dérivation de cellules souches embryonnaires (ES) permet la reprogrammation indirecte des cellules adultes. Cependant, l’efficacité de ces deux méthodes pour la dérivation de cellules pluripotentes génétiquement stables est faible. Nous avons donc combiné les techniques SCNT et iPS dans le but de développer un protocole efficace de dérivation de cellules iPS autologues à partir de fibroblastes de la peau équine. Quatre facteurs de reprogrammation ont été introduits dans les cellules fibroblastes de fœtus clonés (ntFF) ainsi que les cellules ES provenant d’embryons clonés (ntES) pour induire leur reprogrammation en cellules iPS autologues. Les cellules ntFF-iPS et ntES-iPS ont des capacités prolifératives avancées et expriment des marqueurs de pluripotence importants. Par contre, les cellules ntES ont une efficacité de reprogrammation significativement supérieure aux cellules nt-FF et forment des colonies trois fois plus rapidement. Contrairement aux cellules ntES, les cellules ntES-iPS démontrent une augmentation de l’expression des marqueurs de pluripotence et survivent à la culture cellulaire prolongée. Les résultats présentés dans ce mémoire attestent que l’utilisation de la reprogrammation secondaire de cellules FF et ES clonées permet la production de cellules souches pluripotentes autologues stables chez le cheval.

Effets de la reprogrammation sur le gène empreinté H19 chez les équins

Lors de la fécondation, le génome subit des transformations épigénétiques qui vont guider le développement et le phénotype de l’embryon. L'avènement des techniques de reprogrammation cellulaire, permettant la dédifférenciation d'une cellule somatique adulte, ouvre la porte à de nouvelles thérapies régénératives. Par exemple, les procédures de transfert nucléaire de cellules somatique (SCNT) ainsi que la pluripotence par induction (IP) visent à reprogrammer une cellule somatique adulte différentiée à un état pluripotent similaire à celui trouvé durant la fécondation chez l'embryon sans en impacter l'expression génique vitale au fonctionnement cellulaire. Cependant, la reprogrammation partielle est souvent associée à une mauvaise méthylation de séquences géniques responsables de la régulation des empreintes géniques. Ces gènes, étudiés chez la souris, le bovin et l'humain, sont exprimés de manière monoallélique, parent spécifique et sont vitaux pour le développement embryonnaire. Ainsi, nous avons voulu définir le statut épigénétique du gène empreinté H19 chez l'équin, autant chez le gamètes que les embryons dérivés de manière in vivo, SCNT ainsi que les cellules pluripotentes induites (iPSC). Une région contrôle empreinté (ICR) riche en îlots CpG a été observée en amont du promoteur. Couplé avec une analyse de transcrit parent spécifique du gène H19, nous avons confirmé que l'empreinte du gène H19 suit le modèle insulaire décrit chez les autres mammifères étudiés et résiste à la reprogrammation induite par SCNT ou IP. La déméthylation partielle de l'ICR observée chez certains échantillons reprogrammés n'était pas suffisante pour induire une expression biallélique, suggérant un contrôle des empreintes chez les équins durant la reprogrammation.

Loss of Methylation at H19 DMD Is Associated with Biallelic Expression and Reduced Development in Cattle Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer

Although cloning of mammals has been achieved successfully, the percentage of live offspring is very low because of reduced fetal size and fewer implantation sites. Recent studies have attributed such pathological conditions to abnormal reprogramming of the donor cell used for cloning. The inability of the oocyte to fully restore the differentiated status of a somatic cell to its pluripotent and undifferentiated state is normally evidenced by aberrant DNA methylation patterns established throughout the genome during development to blastocyst. These aberrant methylation patterns are associated with abnormal expression of imprinted genes, which among other genes are essential for normal embryo development and gestation. We hypothesized that embryo loss and low implantation rates in cattle derived by somatic cell nuclear transfer (SCNT) are caused by abnormal epigenetic reprogramming of imprinted genes. To verify our hypothesis, we analyzed the parental expression and the differentially methylated domain (DMD) methylation status of the H19 gene. Using a parental-specific analysis, we confirmed for the first time that H19 biallelic expression is tightly associated with a severe demethylation of the paternal H19 DMD in SCNT embryos, suggesting that these epigenetic anomalies to the H19 locus could be directly responsible for the reduced size and low implantation rates of cloned embryos in cattle.