Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.

Traumatismes précoces et réponses de stress, leur association aves la santé mentale, l'attachement et l'ocytocine

Lorsqu'un individu est confronté à une situation stressante, une des réponses les plus saillantes est l'activation de l'axe HPA, caractérisée par le déclenchement d'un taux élevé de glucocorticoïdes dans le sang. De manière générale, cette réponse hormonale est adaptative et elle a pour but la mobilisation des ressources physiques et cognitives de l'individu pour une action spécifique (Axelrod & Reisine, 1984; Chrousos & Gold, 1992; N. M. Kaplan, 1988; McEwen, 2004). Cependant, lorsque une personne est confrontée très tôt dans son développement, et de manière répétée, à des situations de stress, cette réponse physiologique peut s'altérer, devenir inadaptée (Anand, 1993; Bremner et al., 1995; Meaney et al., 1996; Mirescu, Peters, & Gould, 2004; Plotsky & Meaney, 1993; Sapolsky, 2000) et être associée à des troubles cognitifs (McEwen & Sapolsky, 1995) et émotionnels (McEwen, 2000). A l'âge adulte, le résultat de ces altérations psychoneuroendocriniennes se traduit au cours de l'activation de l'axe HPA et elles sont visibles lors de situations de stress moins intenses (Graham, Heim, Goodman, Miller, & Nemeroff, 1999; Mirescu et al., 2004; Stam, Bruijnzeel, & Wiegant, 2000; A. Taylor, Fisk, & Glover, 2000). La dysregulation de l'axe HPA semble représenter un facteur de vulnérabilité lié à des dysfonctionnements psychiques et physiologiques chez les adultes (Heim, Ehlert, & Hellhammer, 2000; Heim & Nemeroff, 1999; Heim, Newport, Mletzko, Miller, & Hemeroff, 2008). Cependant, des facteurs de protection peuvent influencer à leur tour ces vulnérabilités. La littérature, basée sur des études translationnelles (animaux, humains), converge vers le postulat selon lequel la dimension relationnelle apportée par l'environnement est fondamentale dans le développement des vulnérabilités physiologiques et psychiques du sujet. Dans ce sens, les relations d'attachement ont été particulièrement étudiées. A l'âge adulte, par exemple, la qualité des représentations d'attachement semble influencer directement l'expression de gènes impliqués dans les réponses hormonales de stress (Biagini, Pich, Carani, Marrama, & Agnati, 1998; Caldji, Diorio, & Meaney, 2000; Dallman, 2000; De Kloet, Rosenfeld, Van Eekelen, Sutanto, & Levine, 1988; Rincon-Cortes & Sullivan, 2014; Romeo, Tang, & Sullivan, 2009; van Oers, de Kloet, Whelan, & Levine, 1998), illustrant ainsi une perspective épigénétique. Traumatismes précoces et réponses de stress, leur association avec la santé mentale, l'attachement et l'ocytocine Deux objectifs principaux définissent ce travail de doctorat. Le premier est de comprendre comment un événement à portée traumatique, qui a eu lieu pendant la période périnatale, l'enfance ou l'adolescence, peut s'inscrire au niveau physiologique (axe hypotalamico- hypophysaire-surrénalien - axe HPA), au niveau psychopathologique ou encore au niveau de la régulation émotionnelle au cours de l'âge adulte. A ce propos, nous avons évalué les réponses physiologiques (telles que le Cortisol, l'ACTH et l'ocytocine), la présence de psychopathologies (relatives à l'axe I du DSM-IV) et les réponses émotionnelles (telles que la perception au stress) au cours d'une situation de stress de nature psychosociale, induite en laboratoire. Le deuxième objectif de ce travail est de savoir si les représentations d'attachement peuvent médiatiser ces effets, chez des individus exposés à différents événements à portée traumatique. Dans ce but, trois populations ont été considérées. La première est relative à des jeunes adultes nés grands prématurés ; la deuxième, concerne des femmes adultes ayant vécu un ou plusieurs abus sexuels au cours de leur enfance ou de leur adolescence et enfin la troisième est constituée de personnes adultes qui ont survécu à une maladie grave (cancer) pendant leur enfance ou leur adolescence. Enfin, ces trois populations sont comparées à des groupes contrôle. La prise en considération de différents types de traumatismes a permis de relever : premièrement, qu'un événement à portée traumatique de nature différente, peut influencer de manière semblable les structures neuronales, par exemple l'hypocortisolémie ; deuxièmement, qu'un dysfonctionnement de l'axe HPA n'aboutit pas nécessairement à la présence de signes de souffrance mentale ; enfin, des effets protecteurs ont été mis en évidence. Ces facteurs sont sous-tendus, d'un point de vue psychologique, par les représentations d'attachement et, d'un point de vue physiologique, par la sécrétion d'ocytocjne périphérique. Traumatismes précoces et réponses de stress, leur association avec la santé mentale, l'attachement et l'ocytocine -- When an individual is faced by a stressful situation, one of the most notable responses is the activation of the HPA axis, which is characterized by a heightened level of glucocortisoids in the blood. In general, this is an adaptive hormonal response which prepares the individual both physically and cognitively for a specific action (Axelrod & Reisine, 1984; Chrousos & Gold, 1992; N. M. Kaplan, 1988; McEwen, 2004). However, should a person be confronted to stressful situations very early and repeatedly in their development, this physiologic response may be altered and become maladapted (Anand, 1993; Bremner et al., 1995; Meaney et al., 1996; Mirescu et al., 2004; Plotsky & Meaney, 1993; Sapolsky, 2000) which can be associated to emotional (McEwen, 2000) and cognitive disorders(McEwen & Sapolsky, 1995). Throughout adulthood, the result of these psychoneuroendocrine alterations affects the activation of the HPA axis and are noticeable during less intense stressful situations (Graham et al., 1999; Mirescu et al., 2004; Stam et al., 2000; A. Taylor et al., 2000). HPA axis dysregulation appears to represent a factor of vulnerability linked to psychological and physical disorders in adults (Heim, Ehlert, et al., 2000; Heim & Nemeroff, 1999; Heim, Newport, et al., 2008). Nonetheless, these vulnerabilities may be influenced by further protection factors. The literature, based on translational studies (animals and humans), suggests that relationships formed in the context of the individual's environment are fundamental in the development of their physiological and psychological vulnerabilities. Thus, attachment relationships have been particularly studied. In adulthood, for example, the quality of attachment representations appear to influence directly the expression of genes involved in the hormonal responses to stress (Biagini et al., 1998; Caldji et al., 2000; Dallman, 2000; De Kloet et al., 1988; Rincon-Cortes & Sullivan, 2014; Romeo et al., 2009; van Oers et al., 1998). With the goal to study these dimensions, two principal objectives define these doctoral study. The first is to understand how an event considered to be traumatic, which took place during early infancy, infancy, or adolescence, could influence physiology (HPA axis), psychopathology or emotional regulation during adulthood. Therefore we have evaluated the presence of psychopathologies (relative to axis I of the DSM), physiological responses (such as Cortisol, ACTH and oxytocin) and emotional responses (such as perception of stress) throughout a psychosocial stress situation, conducted in a laboratory setting. The second objective of this study is to understand if attachment representations can mediate these effects, in individuals exposed to three different types of traumatic events. Therefore, three populations have been considered. The first is young adults who were born prematurely; the second concerns adult women who have suffered sexual abuse, on one or more occasions, during their childhood or adolescence; finally the third group is constituted of people who have survived a grave childhood illness. These populations were all compared to control groups. The consideration of different types of traumatic events has demonstrated, firstly, that different events which are considered to be traumatic can similarly influence neuronal structures, for example hypocortisolism. Secondly, that an HPA axis disorder does not necessarily lead to the presence of mental signs of distress, as is the case for those born very prematurely. Finally, protective effects were demonstrated, distinctively from a psychological point of view, by attachment representations and furthermore by peripheral oxytocin secretion from a physiological perspective.

Aspects opératoires et péri-opératoires de la stimulation cérébrale profonde [Operative and perioperative aspects of deep brain stimulation].

La stimulation cérébrale profonde (SCP) nécessite l'implantation chirurgicale d'un système comprenant électrodes cérébrales et boîtier(s) de stimulation. Les noyaux cérébraux visés par la méthodologie stéréotaxique d'implantation doivent être visualisés au mieux par une imagerie à haute résolution. La procédure chirurgicale d'implantation des électrodes se fait si possible en anesthésie locale pour faire des mesures électro-physiologiques et tester en peropératoire l'effet de la stimulation, afin d'optimiser la position de l'électrode définitive. Dans un deuxième temps, le ou les générateur(s) d'impulsions sont implantés en anesthésie générale. La SCP pour les mouvements anormaux a une très bonne efficacité et un risque de complications graves faible quoique non nul. Les complications liées au matériel sont les plus fréquentes. Deep brain stimulation (DBS) requires the surgical implantation of a system including brain electrodes and impulsion generator(s). The nuclei targeted by the stereotaxic implantation methodology have to be visualized at best by high resolution imaging. The surgical procedure for implanting the electrodes is performed if possible under local anaesthesia to make electro-physiological measurements and to test intra-operatively the effect of the stimulation, in order to optimize the position of the definitive electrode. In a second step, the impulsion generator(s) are implanted under general anaesthesia. DBS for movement disorders has a very good efficacy and a low albeit non-zero risk of serious complications. Complications related to the material are the most common.

Transition en transplantation rénale [Transition in kidney transplantation].

La transition en transplantation rénale constitue une étape importante dans la vie d'un jeune adolescent greffé. Durant cette période, les impératifs de la greffe se heurtent aux changements physiologiques et psychologiques de l'adolescence, avec un risque augmenté de non-observance thérapeutique et donc de perte du greffon. Il n'existe pas encore un modèle optimal de transition unanimement accepté, mais il a été démontré que la mise en place d'une équipe multidisciplinaire de professionnels pédiatres et adultes, ayant une formation dans la gestion des adolescents et jeunes adultes, est bénéfique. Cette équipe doit assurer une transition progressive des jeunes patients vers la clinique adulte selon un plan bien défini. Transition from pediatric to adult care in renal transplantation has emerged as a critical step in the life of a young kidney recipient. During this phase, young patients are faced with the physiological and psychological changes associated with adolescence that can lead to non-compliance and potentially graft loss. To date, there is not a unique accepted model of transition, however it has been proved that the presence of a multidisciplinary team including specialists in adolescent management and in the transition from pediatric to adult transplant care is beneficial during this at-risk phase. The goal of this team is to ensure a progressive transition of the patients according to a precise plan and time line.

Novel therapeutic strategies targeting regulatory T cells and downstream TCR signaling in transplantation

Avec plus de 100000 transplantations d'organes solides (TOS) par année dans le monde, la transplantation d'organes reste actuellement l'un des meilleurs traitements disponibles pour de nombreuses maladies en phase terminale. Bien que les médicaments immunosuppresseurs couramment utilisés soient efficaces dans le contrôle de la réponse immune engendrant le rejet aigu d'une greffe, la survie du greffon à long terme ainsi que la présence d'effets secondaires indésirables restent un enjeu considérable en clinique. C'est pourquoi il est nécessaire de trouver de nouvelles approches thérapeutiques innovantes permettant de contrôler la réponse immunitaire et ainsi d'améliorer les résultats à long terme. L'utilisation des lymphocytes T régulateurs (Treg), suppresseurs naturels de la réponse inflammatoire, a fait l'objet de nombreuses études ces dix dernières années, et pourrait être considérée comme un moyen intéressant d'améliorer la tolérance immunologique de la greffe. Cependant, l'un des obstacles de l'utilisation des Treg comme agent thérapeutique est leur nombre insuffisant non seulement en conditions normales, mais en particulier lors d'une forte réponse immune avec expansion de cellules immunitaires alloréactives. En raison des limitations techniques connues pour l'induction des Treg ex-vivo ou in vitro, nous avons dédié la première partie du travail de thèse à la détermination de l'efficacité de l'induction des Treg in vivo grâce à l'utilisation d'un complexe protéique IL-2/JES6-1 (IL2c). Nous avons montré que l'expansion des Treg par IL2c permettait d'augmenter la survie du greffon sur un modèle murin de transplantation de peau avec mismatch entre le donneur et le receveur pour le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH). De plus, nous avons vu qu'en combinant IL2c à une inhibition à court terme de la voie de co-stimulation CD40L-CD40 (anti-CD154/MRl, administré au moment de la transplantation) pour empêcher l'activation des lymphocytes T, il est possible d'induire une tolérance robuste à long terme. Finalement, nos résultats soulignent l'importance de cibler une voie de co-stimulation bien particulière. En effet, l'utilisation d'IL2c combinée au blocage de la co-stimulation CD28-B7.1/2 (CTLA-4 Ig) n'induit qu'une faible prolongation de la survie de la greffe et n'induit pas de tolérance. L'application chez l'humain des traitements induisant la tolérance dans des modèles expérimentaux murins ou de primates n'a malheureusement pas montré de résultats probants en recherche clinique ; une des principales raisons étant la présence de lymphocytes B et T mémoires provenant du systeme d immunité acquise. C est pourquoi nous avons testé si la combinaison d'IL2c et MR1 améliorait la survie de la greffe dans des souris pré¬sensibilisées. Nous avons trouvé qu'en présence de lymphocytes B et T mémoires alloréactifs, l'utilisation d'IL2c et MR1 permettait une amélioration de la survie de la greffe de peau des souris immunocompétentes mais comparé aux souris receveuses naïves, aucune tolérance n'a pu être induite. Toutefois, l'ajout d'un traitement anti-LFA-1 (permettant de bloquer la circulation des lymphocytes T activées) a permis d'améliorer de manière significative la survie de la greffe. Cependant, le rejet chronique, dû à la présence de lymphocytes B activés/mémoires et la production d'anticorps donneur-spécifiques, n'a pas pu être évité. Cibler l'activation des lymphocytes T est la stratégie immunothérapeutique prépondérente après une TOS. C'est pourquoi dans la deuxième partie de cette thèse nous nous sommes intéressés au système de signalisation d'un récepteur des lymphocytes T qui dépend de la paracaspase Malti en tant que nouvelle stratégie immunosuppressive pour le contrôle des lymphocytes T alloréactifs. Nous avons montré que bien que l'inhibition de la signalisation du lymphocyte T en aval de Malti induise une tolérance envers un greffon de peau avec incompatibilités antigéniques mineures, cela ne permet cependant qu'une régulation partielle de l'alloréponse contre des antigènes du CMH. Nous nous sommes aussi intéressés spécifiquement à l'activité protéolytique de Malti. L'inhibition constitutive de l'activité protéolytique de Malti chez les souris Malti-ki s'est révélée délétère pour l'induction de la tolérance car elle diminue la fonction des Treg et augmente l'alloréactivité des cellules Thl. Cependant, lors de l'utilisation d'un inhibiteur peptidique de l'activité protéase de Malti in vitro, il a été possible d'observer une atténuation de l'alloéactivité des lymphocytes T ainsi qu'un maintien de la population des Treg existants. Ces résultats nous laissent penser que des études plus poussées sur le rôle de la signalisation médiée par Malti seraient à envisager dans le domaine de la transplantation. En résumé, les résultats obtenus durant cette thèse nous ont permis d'élucider certains mécanismes immunologiques propres à de nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles dont le but est d'induire une tolérance lors de TOS. De plus, ces résultats nous ont permis de souligner l'importance d'utiliser des modèles davantage physiologiques contenant, notamment en tenant compte des lymphocytes B et T mémoires alloréactifs. -- Organ transplantation remains the best available treatment for many forms of end-stage organ diseases, with over 100,000 solid organ transplantations (SOT) occurring worldwide eveiy year. Although the available immunosuppressive (IS) drugs are efficient in controlling acute immune activation and graft rejection, the off-target side effects as well as long-term graft and patient survival remain a challenge in the clinic. Hence, innovative therapeutic approaches are needed to improve long-term outcome across immunological barriers. Based on extensive experimental data obtained over the last decade, it is tempting to consider immunotherapy using Treg; the natural suppressors of overt inflammatory responses, in promoting transplantation tolerance. The first hurdle for the therapeutic use of Treg is their insufficient numbers in non- manipulated individuals, in particular when facing strong immune activation and expanding alloreactive effector cells. Because of the limitations associated with current protocols aiming at ex-vivo expansion or in vitro induction of Treg, the aim of the first part of this thesis was to determine the efficacy of direct in vivo expansion of Treg using the IL-2/JES6- 1 immune complex (IL2c). We found that whilst IL2c mediated Treg expansion alone allowed the prolonged graft survival of fìlli MHC-mismatched skin grafts, its combination with short-term CD40L-CD40 co-stimulation blockade (anti-CD 154/MR1) to inhibit T cell activation administered at the time of transplantation was able to achieve long-term robust tolerance. This study also highlighted the importance of combining Treg based therapies with the appropriate co-stimulation blockade as a combination of IL2c and CD28-B7.1/2 co- stimulation blockade (CTLA-4 Ig) only resulted in slight prolongation of graft survival but not tolerance. The translation of tolerance induction therapies modelled in rodents into non-human primates or into clinical trials has seldom been successful. One main reason being the presence of pre-existing memory T- and B-cells due to acquired immunity in humans versus laboratory animals. Hence, we tested whether IL2c+MRl could promote graft survival in pre-sensitized mice. We found that in the presence of alloreactive memory T- and B-cells, IL2c+MRl combination therapy could prolong MHC-mismatched skin graft survival in immunocompetent mice but tolerance was lost compared to the naïve recipients. The addition of anti-LF A-1 treatment, which prevents the trafficking of memory T cells worked synergistically to significantly further enhance graft survival. However, late rejection mediated by activated/memory B cells and persistent donor-specific alloantibodies still occurred. Immunotherapeutic strategies targeting the activation of T cells are the cornerstone in the current immunosuppressive management after SOT. Therefore, in the next part of this thesis we investigated the paracaspase Malti-dependent T-cell receptor signalling as a novel immunosuppressive strategy to control alloreactive T cells in transplantation. We observed that although the inhibition of Malti downstream T signalling lead to tolerance of a minor H- mismatch skin grafts, it was however not sufficient to regulate alloresponses against MHC mismatches and only prolonged graft survival. Furthermore, we investigated the potential of more selectively targeting the protease activity of Malti. Constitutive inhibition of Malti protease activity in Malti-ki mice was detrimental to tolerance induction as it diminished Treg function and increased Thl alloreactivity. However, when using a small peptide inhibitor of Malti proteolytic activity in vitro, we observed an attenuation of alloreactive T cells and sparing of the pre-existing Treg pool. This indicates that further investigation of the role of Malti signalling in the field of transplantation is required. Collectively, the findings of this thesis provide immunological mechanisms underlying novel therapeutic strategies for the promotion of tolerance in SOT. Moreover, we highlight the importance of testing tolerance induction therapies in more physiological models with pre-existing alloreactive memory T and B cells.

Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

La grande majorité des organismes vivants ont développé un système d'horloges biologiques internes, appelées aussi horloges circadiennes, contrôlant l'expression de gênes impliqués dans de nombreux processus moléculaires et comportementaux. Au cours de la dernière décennie, des analyses « microarray » et séquençages à haut débit sur divers tissus de mammifères, indiquent que jusqu'à 20% du transcriptome serait sous contrôle circadien. Il était jusqu'à présent admis que la majorité des ARNm ayant une accumulation rythmique était générée par une transcription qui était elle-même rythmique. Toutefois, de récentes études ont suggéré qu'une proportion considérable des ARNm cycliques serait en fait générée par des mécanismes post-transcriptionnelles, incluant une régulation par micro-ARN (miARN). Lorsque j'ai débuté mon travail de thèse, l'influence des miARN sur l'expression des gènes circadiens, au niveau pangénomique, était encore méconnue. Par l'utilisation d'un modèle murin, dont la biogenèse des miARN a été spécifiquement désactivée au niveau des cellules hépatiques (knockout conditionnel pour Dicer), je me suis donc intéressée au rôle que jouaient ces molécules régulatrices sur la rythmicité de l'expression génique dans le foie. Des séquençages sur l'ensemble du transcriptome révèlent que l'horloge interne du foie est étonnement résistante à la perte totale des miARN. Nous avons cependant trouvé que les miARN agissent de façon importante sur la régulation de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge moléculaire. La corégulation par les miARN, affectant jusqu'à 30% des gènes transcrits de façon rythmiques, conduit ainsi à une modulation de phase et d'amplitude du rythme de l'abondance des ARNm. En revanche, seuls peu de transcrits dépendent uniquement des miARN pour la rythmicité de leur accumulation. Enfin, mon travail met en évidence plusieurs miARN spécifiques, qui semblent préférentiellement moduler l'expression des gènes cycliques et permet l'identification de voies hépatiques particulièrement sujettes à une double régulation par les miARN et l'horloge biologique interne. La première masse d'analyses a essentiellement porté sur le rôle que jouent les miARN au niveau de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge interne. Dans deux études de suivi, je me suis penchée sur deux aspects supplémentaires et complémentaires de la manière dont les miARN et l'oscillation de l'expression des gènes interagissent. Dans les hépatocytes murins, spécifiquement privés de Dicer, je me suis demandée si un phénotype horloge avait pu être masqué, dû à un entraînement stable de l'horloge du foie par l'horloge maîtresse du cerveau. J'ai donc commencé une série d'expériences ambitieuses (impliquant la mesure de la rythmicité du foie in vivo, chez l'animal vivant) afin de déséquilibrer l'entrainement de l'horloge hépatique via l'utilisation d'un protocole nutritionnel spécifique. Les premiers résultats suggèrent que dans des conditions où l'animal subit une restriction alimentaire pendant la journée, les miARN sont importants dans la cinétique d'adaptation des organes périphériques à un nouvel horaire de sustentation. Dans une deuxième ligne de recherche, j'ai plus profondément étudié quels seraient les miARN responsables des rythmes post-transcriptionnels des ARNm, en utilisant le séquençage de « small » ARN sur 24h. L'analyse est en cours et se poursuivra après l'obtention de mon diplôme. De façon générale, mon travail révèle d'importants et nouveaux rôles des miARN dans la modulation de l'expression circadienne des gènes hépatiques. De plus, le set de données générées dans l'étude déjà publiée, peut dorénavant servir de ressource valable pour de prochaines investigations sur le rôle physiologique que les miARN jouent au niveau du foie. -- Most living organisms have developed internal timing systems, called circadian clocks, to drive the rhythmic expression of genes involved in many molecular and behavioral processes. Over the last decade, microarray analyses and high- throughput sequencing from various mammalian tissues have indicated that up to 20% of the transcriptome are under circadian control. It was generally assumed that the majority of rhythmic mRNA accumulation is generated by rhythmic transcription. However, recent studies have suggested that a considerable proportion of mRNA cycling may actually be generated by post-transcriptional mechanisms, including by microRNAs. When I started my thesis work, it was still unknown how miRNAs influence circadian gene expression in a genome-wide fashion. Using a mouse model in which miRNA biogenesis can be inactivated in hepatocytes (conditional Dicer knockout mouse), I have thus addressed the role that these regulatory molecules play in rhythmic gene expression in the liver. Whole transcriptome sequencing revealed that the hepatic core clock was surprisingly resilient to total miRNA loss. However, we found that miRNAs acted as important regulators of clock-controlled gene expression. Co- regulation by miRNAs, which affected up to 30% of rhythmically transcribed genes, thus led to the modulation of phases and amplitudes of mRNA abundance rhythms. By contrast, only very few transcripts were strictly dependent on miRNAs for their rhythmic accumulation. Finally, my work highlights several specific miRNAs that appear to preferentially modulate cyclic gene expression, and identifies pathways in the liver that are particularly prone to dual regulation through miRNAs and the clock. The first bulk of analyses mainly dealt with the role that miRNAs play at the level of rhythmic clock output gene expression. In two follow-up studies I further delved into two additional, complementary aspects of how miRNAs and gene expression oscillations interact. First, I addressed whether a core clock phenotype in the hepatocyte-specific Dicer knockout could have been masked due to the stable entrainment of the liver clock by the animals' master clock in the brain. I thus started a series of ambitious experiments (involving the in vivo recording of liver rhythms in live animals) to bring the stable entrainment of the liver clock out of equilibrium using specific feeding protocols. My first results suggest that under conditions when animals are challenged by food restriction to daytime, miRNAs are important for the kinetics of adapting to unusual mealtime in peripheral tissue. In a second line of research, I have more carefully investigated which miRNAs are responsible for post- transcriptional mRNA rhythms using small RNA sequencing around-the-clock. The analyses are ongoing and will be continued after my graduation. Overall, my work uncovered important and novel roles of miRNA activity in shaping hepatic circadian gene expression; moreover, the datasets collect in the published studies can serve as a valuable resource for further investigations into the physiological roles that miRNAs play in liver. -- L'alternance du jour et de la nuit dirige depuis longtemps la vie quotidienne des êtres humains et de la plupart des organismes sur terre. Ce cycle de 24 heures façonne beaucoup de changements comportementaux et physiologiques tels que la vigilance, la température corporelle et le sommeil. Les rythmes journaliers, appelés rythmes circadiens, sont dirigés par des horloges biologiques tournant dans presque chaque cellule du corps. Une structure dans le cerveau agit en tant qu'horloge maitresse pour synchroniser les horloges internes entre elles et en fonction des signaux de jour/nuit extérieurs. Dans les cellules "les gènes de l'horloge" sont activés et désactivés une fois par jour ce qui déclenche des cycles dans lesquels des protéines sont produites de manière circadienne. Ces rythmes protéiques sont spécialisés pour chaque tissu ou organe et peuvent les aider à réaliser leurs tâches quotidiennes. Les rythmes circadiens peuvent être générés d'autres manières n'impliquant pas directement les composants des gènes de l'horloge. Les ARN messagers (ARNm) sont des molécules intermédiaires dans la production de protéines à partir d'ADN. Dans le foie des souris jusqu'à 20% des molécules d'ARNm sont produites suivant des rythmes circadiens. Le foie réalise des tâches essentielles dans le contrôle du métabolisme incluant celui des hydrates de carbone, des graisses et du cholestérol. Un timing précis est important afin de traiter les substances nutritives correctement lors des repas il en résulte une variation des quantités de certains ARNm et protéines coïncidant avec les repas. Les microARNs constituent une autre classe de molécules ARN de très petite taille qui régulent l'efficacité de traduction des ARNm en protéines et la stabilité des ARNm. Lors de mon travail de thèse, j'ai exploré de manière approfondie l'influence de ces petits régulateurs sur les rythmes circadiens du foie de souris. Ces expériences qui impliquaient le "Knock-out" d'un gène essentiel à la production de microARNs montrent qu'au lieu de générer les rythmes des ARNm, les microARNs les ajustent pour répondre aux besoins spécifiques du foie comme assurer leur pic au bon moment de la journée. Le ciblage de microARNs spécifiques peut révéler de nouvelles stratégies pour rectifier ces rythmes lorsque par exemple les fonctions métaboliques ne fonctionnent plus normalement. -- The rising and setting of the sun have long driven the daily schedules of humans and most organisms on the earth. This 24-hr cycle shapes many behavioural and physiological changes, such as alertness, body temperature, and sleep. These daily rhythms, which are called circadian rhythms, are dictated by biological clocks that are ticking in almost every single cell of the body. A region in the brain acts as a master clock to synchronize the internal clocks with each other and with the outside light/dark cycles. In cells, "core clock genes" are turned on and off once per day, which triggers cycles that cause some proteins to be produced in a circadian manner. The protein rhythms are specialized to a particular tissue or organ, and may help them to carry out their designated daily tasks. However, circadian rhythms might also be produced by other ways that do not involve these core clock components. Messenger RNAs (mRNAs) are intermediate molecules in the production of proteins from DNA. In the mouse liver, up to 20% of mRNA molecules are produced in circadian cycles. The liver performs essential tasks that control metabolism-including that of carbohydrates, fats, and cholesterol. Precisely timing when certain mRNAs and proteins reach peaks and troughs in their activities to coincide with mealtimes is important for nutrients to be properly processed. Other RNA molecules called microRNAs, i.e. RNAs of very small size, regulate at which rate mRNA molecules are translated into proteins. In my thesis work, I have explored at the influence of these small regulators on circadian rhythms in the mouse liver in greater detail. These experiments, which involved "knocking out" a gene that is essential for the production of microRNAs, show that rather than generating the mRNA rhythms, the microRNAs appear to adjust them to meet the specific needs of the liver, such as ensuring that they peak at the right time-of-day. Targeting specific microRNA molecules may reveal new strategies to tweak these rhythms, which could help to improve conditions when metabolic functions go wrong.

Creatine deficiency syndomes : a new model of partial GAMT deficiency affecting brain cell development

Les syndromes de déficiences cérébrales en créatine (CCDS) sont dus à des mutations dans les gènes GATM et G AMT (codant pour les enzymes AGAT et G AMT de la voie de synthèse de créatine) ainsi que SLC6A8 (transporteur de créatine), et génèrent une absence ou une très forte baisse de créatine (Cr) dans le cerveau, mesurée par spectroscopic de résonance magnétique. Les patients CCDS développent des handicaps neurologiques sévères. Les patients AGAT et GAMT peuvent être traités avec des doses importantes de Cr, mais gardent dans la plupart des cas des séquelles neurologiques irréversibles. Aucun traitement efficace n'existe à ce jour pour la déficience en SLC6A8. Bien que de nombreux modèles aient été développés pour comprendre la Cr cérébrale en conditions physiologiques, les pathomécanismes des CCDS ne sont pas encore compris. Des souris transgéniques pour les gènes Gatm, Gamt et Slc6a8 ont été générées, mais elles ne miment que partiellement la pathologie humaine. Parmi les CCDS, la déficience en GAMT est la plus sévère, en raison de l'accumulation cérébrale de l'intermédiaire guanidinoacétate (GAA). Alors que la toxicité cérébrale du GAA a été étudiée par exposition directe au GAA d'animaux adultes sains, les mécanismes de la toxicité du GAA en condition de déficience en GAMT dans le cerveau en développement sont encore inconnus. Le but de ce projet était donc de développer un modèle de déficience en GAMT dans des cultures 3D primaires de cellules nerveuses de rat en agrégats par knock-down du gène GAMT, en utilisant un virus adéno-associé (AAV) induisant le mécanisme d'interférence à l'ARN (RNAi). Le virus scAAV2, à la multiplicité d'infection de 1000, s'est révélé le plus efficace pour transduire tous les types de cellules nerveuses des cultures (neurones, astrocytes, oligodendrocytes), et générer un knock-down maximal de la protéine GAMT de 85% (jour in vitro 18). Cette déficience partielle en GAMT s'est révélée insuffisante pour générer une déficience en Cr, mais a causé l'accumulation attendue de GAA, à des doses comparables aux niveaux observés dans le LCR des patients GAMT. Le GAA a induit une croissance axonale anarchique accompagnée d'une baisse de l'apoptose naturelle, suivis par une induction tardive de mort cellulaire non-apoptotique. Le co-traitement par la Cr a prévenu tous les effets toxiques du GAA. Ce travail montre que l'accumulation de GAA en absence de déficience en Cr est suffisante pour affecter le développement du tissu nerveux, et suggère que des formes de déficiences en GAMT supplémentaires, ne présentant pas de déficiences en Cr, pourraient être découvertes par mesure du GAA, en particulier à travers les programmes récemment proposés de dépistage néonatal de la déficience en GAMT. -- Cerebral creatine deficiency syndromes (CCDS) are caused by mutations in the genes GATM and GAMT (respectively coding for the two enzymes of the creatine synthetic pathway, AGAT and GAMT) as well as SLC6A8 (creatine transporter), and lead to the absence or very strong decrease of creatine (Cr) in the brain when measured by magnetic resonance spectroscopy. Affected patients show severe neurological impairments. While AGAT and GAMT deficient patients can be treated with high dosages of Cr, most remain with irreversible brain sequelae. No treatment has been successful so far for SLC6A8 deficiency. While many models have helped understanding the cerebral Cr pathways in physiological conditions, the pathomechanisms underlying CCDS are yet to be elucidated. Transgenic mice carrying mutations in the Gatm, Gamt and Slc6a8 genes have been developed, but only partially mimic the human pathology. Among CCDS, GAMT deficiency is the most severe, due to the CNS accumulation of the guanidinoacetate (GAA) intermediate. While brain toxicity of GAA has been explored through direct GAA exposure of adult healthy animals, the mechanisms underlying GAA toxicity in GAMT deficiency conditions on the developing CNS are yet unknown. The aim of this project was thus to develop and characterize a GAMT deficiency model in developing brain cells by gene knockdown, by adeno-associated virus (AAV)-driven RNA interference (RNAi) in rat 3D organotypic primary brain cell cultures in aggregates. scAAV2 with a multiplicity of infection of 1000 was shown as the most efficient serotype, was able to transduce all brain cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and to induce a maximal GAMT protein knockdown of 85% (day in vitro 18). Metabolite analysis showed that partial GAMT knockdown was insufficient to induce Cr deficiency but generated the awaited GAA accumulation at concentrations comparable to the levels observed in cerebrospinal fluid of GAMT-deficient patients. Accumulated GAA induced axonal hypersprouting paralleled with inhibition of natural apoptosis, followed by a later induction in non-apoptotic cell death. Cr supplementation led to the prevention of all GAA-induced toxic effects. This work shows that GAA accumulation without Cr deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggests that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain Cr deficiency, may be discovered through GAA measurement including by recently proposed neonatal screening programs for GAMT deficiency.

Le raisonnement clinique de l'infirmier (ère) expert(e) lors de l'évaluation de la douleur chez les patients ventilés, sédatés et non communicants aux soins intensifs

Problématique : La douleur aux soins intensifs adultes est un problème majeur auquel l'équipe soignante est confrontée quotidiennement. Elle nécessite un traitement adéquat et, pour ce faire, une évaluation systématique et précise est requise. Les patients hospitalisés aux soins intensifs sont vulnérables de par leurs pathologies et les multiples stimulations douloureuses auxquelles ils sont exposés. L'évaluation de la douleur est rendue complexe par le fait qu'ils ne peuvent pas la communiquer verbalement. L'utilisation d'échelles d'évaluation de la douleur est recommandée, mais les scores obtenus doivent être interprétés et contextualisés. Evaluer la douleur chez ce type de patient demande aux infirmières des connaissances et compétences élevées, à même d'être mobilisées lors d'un processus complexe lié au raisonnement clinique. But : l'objectif de cette étude descriptive observationnelle est de décrire les indicateurs influençant le raisonnement clinique de l'infirmière1 experte lors de l'évaluation de la douleur chez les patients ventilés, sédatés et non communicants aux soins intensifs. Les résultats produisent une meilleure compréhension de l'évaluation et de la gestion de la douleur en pratique et, finalement, participent à l'amélioration de la qualité de son évaluation et de sa gestion. Méthode : un échantillon de convenance de sept infirmières expertes travaillant dans une unité de soins intensifs d'un hôpital universitaire de Suisse Romande a été constitué pour cette étude. Les données ont été récoltées en situation réelle lors de l'évaluation de la douleur de sept patients en utilisant la méthode du think aloud, par une observation non participative et par un entretien semistructuré. Les données ont été analysées en utilisant une méthode d'analyse de contenu déductive sur la base d'un modèle de raisonnement clinique, comprenant les suivantes: le contexte, la situation du patient, la génération d'hypothèses, les actions infirmières et l'évaluation de l'action. Résultats : la moyenne d'expérience des infirmières participantes est de 15 ans (ÉT 4.5) en soins et de 7.85 ans (ÉT 3.1) en soins intensifs. Sept patients étaient ventilés, sédatés et non communicants ayant une moyenne de score APACHE II2 de 19. Les résultats montrent que les infirmières se basent principalement sur des indicateurs physiologiques pour évaluer la douleur. Elles cherchent à prévenir la douleur pour le patient. Elles se réfèrent régulièrement à des situations déjà vécues (pattern). Elles mobilisent leurs connaissances pour pondérer l'agitation liée à la douleur ou à d'autres causes en générant des hypothèses, puis réalisent un test antalgique pour confirmer ou infirmer l'hypothèse retenue. Conclusion : le contexte clinique joue un rôle important dans le raisonnement clinique de l'infirmière et la gestion de la douleur. Pour faciliter cette tâche, l'évaluation de la douleur doit être combinée avec l'évaluation de la situation clinique du patient et du niveau de sédation des patients de soins intensifs.

Sleep in vitro : Erk pathway regulates sleep duration and sleep related genes

To date, for most biological and physiological phenomena, the scientific community has reach a consensus on their related function, except for sleep, which has an undetermined, albeit mystery, function. To further our understanding of sleep function(s), we first focused on the level of complexity at which sleep-like phenomenon can be observed. This lead to the development of an in vitro model. The second approach was to understand the molecular and cellular pathways regulating sleep and wakefulness, using both our in vitro and in vivo models. The third approach (ongoing) is to look across evolution when sleep or wakefulness appears. (1) To address the question as to whether sleep is a cellular property and how this is linked to the entire brain functioning, we developed a model of sleep in vitro by using dissociated primary cortical cultures. We aimed at simulating the major characteristics of sleep and wakefulness in vitro. We have shown that mature cortical cultures display a spontaneous electrical activity similar to sleep. When these cultures are stimulated by waking neurotransmitters, they show a tonic firing activity, similar to wakefulness, but return spontaneously to the "sleep-like" state 24h after stimulation. We have also shown that transcriptional, electrophysiological, and metabolic correlates of sleep and wakefulness can be reliably detected in dissociated cortical cultures. (2) To further understand at which molecular and cellular levels changes between sleep and wakefulness occur, we have used a pharmacological and systematic gene transcription approach in vitro and discovered a major role played by the Erk pathway. Indeed, pharmacological inhibition of this pathway in living animals decreased sleep by 2 hours per day and consolidated both sleep and wakefulness by reducing their fragmentation. (3) Finally, we tried to evaluate the presence of sleep in one of the most primitive species with a neural network. We set up Hydra as a model organism. We hypothesized that sleep as a cellular (neuronal) property may occur with the appearance of the most primitive nervous system. We were able to show that Hydra have periodic rest phases amounting to up to 5 hours per day. In conclusion, our work established an in vitro model to study sleep, discovered one of the major signaling pathways regulating vigilance states, and strongly suggests that sleep is a cellular property highly conserved at the molecular level during evolution. -- Jusqu'à ce jour, la communauté scientifique s'est mise d'accord sur la fonction d'une majorité des processus physiologiques, excepté pour le sommeil. En effet, la fonction du sommeil reste un mystère, et aucun consensus n'est atteint le concernant. Pour mieux comprendre la ou les fonctions du sommeil, (1) nous nous sommes d'abord concentré sur le niveau de complexité auquel un état ressemblant au sommeil peut être observé. Nous avons ainsi développé un modèle du sommeil in vitro, (2) nous avons disséqué les mécanismes moléculaires et cellulaires qui pourraient réguler le sommeil, (3) nous avons cherché à savoir si un état de sommeil peut être trouvé dans l'hydre, l'animal le plus primitif avec un système nerveux. (1) Pour répondre à la question de savoir à quel niveau de complexité apparaît un état de sommeil ou d'éveil, nous avons développé un modèle du sommeil, en utilisant des cellules dissociées de cortex. Nous avons essayé de reproduire les corrélats du sommeil et de l'éveil in vitro. Pour ce faire, nous avons développé des cultures qui montrent les signes électrophysiologiques du sommeil, puis quand stimulées chimiquement passent à un état proche de l'éveil et retournent dans un état de sommeil 24 heures après la stimulation. Notre modèle n'est pas parfait, mais nous avons montré que nous pouvions obtenir les corrélats électrophysiologiques, transcriptionnels et métaboliques du sommeil dans des cellules corticales dissociées. (2) Pour mieux comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire et cellulaire durant les différents états de vigilance, nous avons utilisé ce modèle in vitro pour disséquer les différentes voies de signalisation moléculaire. Nous avons donc bloqué pharmacologiquement les voies majeures. Nous avons mis en évidence la voie Erkl/2 qui joue un rôle majeur dans la régulation du sommeil et dans la transcription des gènes qui corrèlent avec le cycle veille-sommeil. En effet, l'inhibition pharmacologique de cette voie chez la souris diminue de 2 heures la quantité du sommeil journalier et consolide l'éveil et le sommeil en diminuant leur fragmentation. (3) Finalement, nous avons cherché la présence du sommeil chez l'Hydre. Pour cela, nous avons étudié le comportement de l'Hydre pendant 24-48h et montrons que des périodes d'inactivité, semblable au sommeil, sont présentes dans cette espèce primitive. L'ensemble de ces travaux indique que le sommeil est une propriété cellulaire, présent chez tout animal avec un système nerveux et régulé par une voie de signalisation phylogénétiquement conservée.

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.

Le raisonnement clinique de l'infirmier(ère) expert(e) lors de l'évaluation de la douleur chez l'enfant ventilé et non communicant, sous analgésie et sédation, aux soins intensifs de pédiatrie

Dans le contexte des soins intensifs pédiatriques, la douleur est une préoccupation majeure et quotidienne pour l'équipe soignante. Les patients sont vulnérables de par leur condition et les multiples stimulations douloureuses auxquelles ils sont exposés. En dépit des données probantes démontrant l'importance d'une évaluation de la douleur, le traitement de celle-ci reste non optimal dans cette population vulnérable. Une douleur inadéquatement traitée peut causer de nombreuses complications à moyen et à long terme. L'évaluation de la douleur chez le patient ventilé et non communicant représente un défi important, rendu complexe par l'utilisation concomitante de médicaments sédatifs et analgésiques qui peuvent masquer ou altérer les comportements de la douleur. Il existe des outils d'évaluation adaptés à cette population vulnérable, mais l'interprétation des scores reste difficile. L'évaluation de la douleur demande aux infirmières des connaissances et compétences élevées à même d'être mobilisées lors d'un processus complexe lié au raisonnement clinique. Le but de cette étude descriptive et observationnelle est de déterminer les indicateurs utilisés par les infirmières expertes des soins intensifs de pédiatrie lors de l'évaluation de la douleur chez le patient ventilé et non communicant, sous analgésie et sédation. Un échantillon de convenance de dix infirmières expertes travaillant dans une unité de soins intensifs pédiatriques d'un hôpital universitaire de Suisse romande a participé à cette étude. Les données ont été récoltées par l'enregistrement de la verbalisation du raisonnement clinique au lit du patient, complété par une observation non participante et un entretien semi-structuré. Le développement d'un cadre théorique constitué d'un modèle de raisonnement clinique expert et d'une modélisation du décodage de la douleur a permis de réaliser une analyse de contenu des enregistrements. Les résultats montrent une utilisation importante des indicateurs physiologiques, en lien avec la stabilité clinique du patient qui est un critère essentiel pour la prise de décision lors de la gestion de la douleur. La difficulté à discriminer l'agitation résultant de la douleur ou d'autres causes est également omniprésente. Les expertes anticipent et préviennent la survenue de la douleur en s'appuyant sur leurs connaissances et les situations de patient déjà rencontrées. Le contexte clinique influence de manière prépondérante le raisonnement clinique et les indicateurs utilisés lors de l'évaluation et la gestion de la douleur. Celle-ci doit être évaluée de manière combinée avec la stabilité clinique du patient et son niveau de sédation. De futures recherches sont nécessaires pour confirmer ces résultats réalisés avec un échantillon de petite taille et un devis observationnel.

Monitoring of the training load and recovery parameters in competitive swimmers

Nombreux sont les groupes de recherche qui se sont intéressés, ces dernières années, à la manière de monitorer l'entraînement des sportifs de haut niveau afin d'optimaliser le rendement de ce dernier tout en préservant la santé des athlètes. Un des problèmes cardinaux d'un entraînement sportif mal conduit est le syndrome du surentraînement. La définition du syndrome susmentionné proposée par Kreider et al. est celle qui est actuellement acceptée par le « European College of Sport Science » ainsi que par le « American College of Sports Medicine», à savoir : « An accumulation of training and/or non-training stress resulting in long-term decrement in performance capacity with or without related physiological and psychological signs and symptoms of maladaptation in which restoration of performance capacity may take several weeks or months. » « Une accumulation de stress lié, ou non, à l'entraînement, résultant en une diminution à long terme de la capacité de performance. Cette dernière est associée ou non avec des signes et des symptômes physiologiques et psychologiques d'inadaptation de l'athlète à l'entraînement. La restauration de ladite capacité de performance peut prendre plusieurs semaines ou mois. » Les recommandations actuelles, concernant le monitoring de l'entraînement et la détection précoce du syndrome du surentrainement, préconisent, entre autre, un suivi psychologique à l'aide de questionnaires (tel que le Profile of Mood State (POMS)), un suivi de la charge d'entraînement perçue par l'athlète (p.ex. avec la session rating of perceived exertion (RPE) method selon C. Foster), un suivi des performances des athlètes et des charges d'entraînement effectuées ainsi qu'un suivi des problèmes de santé (blessures et maladies). Le suivi de paramètres sanguins et hormonaux n'est pas recommandé d'une part pour des questions de coût et de faisabilité, d'autre part car la littérature scientifique n'a, jusqu'ici, pas été en mesure de dégager des évidences à ce sujet. A ce jour, peu d'études ont suivi ces paramètres de manière rigoureuse, sur une longue période et chez un nombre d'athlète important. Ceci est précisément le but de notre étude.

Etude in vitro de l'activité électrique du tissu nerveux obtenu par culture de biopsies cérébrales humaines adultes

Récemment encore, la neuro-genèse chez le primate adulte était supposée limitée aux régions précises que sont le bulbe olfactif, la zone sous-granulaire de l'hippocampe et la région sous- ventriculaire. Depuis lors, des cellules neurales progénitrices distribuées dans l'ensemble du cortex du primate adulte furent mises en évidence. Cultivées in vitro, ces cellules forment des écosystèmes cellulaires nerveux constitués de progéniteurs neuronaux, d'astrocytes et d'oligo- dendrocytes. Transplantés sur un modèle de primate parkinsonien, certains progéniteurs complètent leur différentiation en neurones matures et développent des propriétés neuro- trophiques et neuro-protectrices. Injectées aux environs d'une lésion cérébrale, ces cellules offrent un bénéfice fonctionnel et comportemental significatif. Le présent projet mesure l'activité électro-physiologique du tissu nerveux obtenu par culture de biopsies corticales humaines adultes, de sorte à déterminer son aptitude à intégrer l'information. Des biopsies corticales humaines adultes furent cultivées in vitro avec succès sur un support Micro-Electrode-Array. Cette technologie permet l'acquisition d'enregistrements électro- physiologiques à l'échelle des circuits, au sein d'un tissu maintenu en culture. En parallèle, une mesure de l'activité à l'échelle cellulaire fut obtenue par l'application du Patch Clamp à des cellules cultivées sur un support de verre. Malgré une culture prolongée et l'induction d'une différentiation neuronale, aucune activité électro-physiologique significative ne put être démontrée. Une analyse phénotypique à un stade intermédiaire de culture montra l'expression prometteuse du marqueur neuronal précoce β-Tubulin-III. Cependant, après l'induction d'une différenciation neuronale, la surprenante co-expression de marqueurs astroglial (GFAP) et neuronal (MAP2) fut constatée. Le silence électro-physiologique issu des enregistrements sur MEA peut être l'oeuvre d'un isolement des cellules électriquement actives, et d'un défaut d'organisation en réseau. Une interposition de tissu glial entre neurones et électrodes peut également absorber le signal. Par ailleurs, les cellules enregistrées par Patch Clamp furent déterminées selon le seul critère morphologique ; leur nature exacte demeure inconnue. Les analyses phénotypiques laissent supposer l'entrée dans une voie de maturation neuronale par l'expression du marqueur β- Tubulin-III. Toutefois le phénotype exprimé au terme du processus de culture reste incertain. Des facteurs de maturation ou environnementaux semblent faire défaut à la complétion d'une différentiation neuronale. La culture de neurones bien différenciés et électriquement actifs appelle de nouvelles études in vivo, ainsi qu'une analyse fine des voies intracellulaires de maturation.

Keeping the balance? Management of oxidative stress, body mass and reproduction under energetic constraints by dispersing and philopatric collared flycatchers.

Dispersal, i.e. individual movement between breeding sites, is a key process for metapopulation dynamics and gene flow. Its success can be modulated by phenotypic differences between dispersing and philopatric individuals, or dispersal syndromes. However, the environmental (external) and physiological (internal) constraints underlying such syndromes remain poorly known. This project aimed at clarifying the impact of environmental variation and oxidative constraints, linked to the reactive oxygen species produced during respiration, on phenotypes associated to dispersal in a passerine bird, the collared flycatcher Ficedula albicollis. Energetic demand was experimentally (i) increased through a wing load manipulation or (ii) relieved through food supplementation. The oxidative balance of breeding flycatchers was influenced by complex interactions of dispersal status and extrinsic factors (breeding density, year, experimental treatments). Interestingly, antioxidant capacity was influenced both by permanent individual differences and by food availability, whereas measures of pro-oxidants were highly variables within individuals. Environmental variation and energetic constraints also modulated the differences in reproduction associated with dispersal: dispersing and philopatric birds differ in their management of the oxidative balance when it is competing with reproductive investment. This thesis highlights that reaction norms, rather than fixed differences, often shape traits associated to dispersal. ----- Le déplacement d'un individu entre sites de reproduction, ou dispersion, est un processus clé pour la dynamique des métapopulations et les flux de gènes. Son succès peut être modulé par des différences de phénotype, ou syndromes de dispersion. Cependant, les contraintes environnementales et physiologiques qui sous-tendent ces syndromes restent mal connues. Ce projet vise à clarifier l'impact des variations environnementales et des contraintes oxydatives (liées aux espèces réactives de l'oxygène produites durant la respiration) sur les phénotypes associés à la dispersion chez un passereau, le gobemouche à collier Ficedula albicollis. La demande énergétique a été expérimentalement (i) augmentée en manipulant la surface alaire ou (ii) diminuée par une supplémentation en nourriture. L'équilibre oxydo-réducteur des gobemouches en reproduction est influencé par des interactions complexes entre statut de dispersion et facteurs extrinsèques (densité de couples reproducteurs, année, traitement expérimental). La capacité antioxydante dépend principalement de différences permanentes entre individus, alors que les pro-oxydants présentent de grandes variations intra-individu. Environnement et contraintes énergétiques modulent aussi les différences de reproduction liées à la dispersion : les oiseaux dispersants et philopatriques diffèrent dans leur gestion de l'équilibre oxydo-réducteur lorsqu'il est en compétition avec l'investissement reproducteur. Ce travail souligne que les traits associés à la dispersion sont souvent déterminés par des normes de réaction à l'environnement et non des différences fixées entre individus.

Perception du timing pubertaire et comportements à risque chez des adolescents suisses

Il faut distinguer timing pubertaire objectif (TPO ; comparaison du timing pubertaire réel d'un sujet avec celui d'un groupe de référence) et timing pubertaire subjectif (TPS ; perception subjective par le sujet de son timing pubertaire par rapport à celui de ses pairs). Chez l'adolescente, la ménarche est couramment utilisée comme marqueur du TPO. La littérature s'intéressant aux variations physiologiques (normales) du timing pubertaire montre qu'un TPO précoce est corrélé chez les adolescentes avec de nombreux problèmes de santé (p.ex. dépression, abus de substances, comportements à risques, niveau d'études inférieur). Un TPO tardif chez l'adolescente serait quant à lui associé à une meilleure réussite scolaire. Les diverses hypothèses expliquant ces corrélations sont brièvement décrites dans notre travail. Certaines hypothèses impliquent des facteurs objectifs tels les changements du corps à la puberté, alors que d'autres privilégient des facteurs plus subjectifs, dans le registre de la perception de soi. A ce jour, la littérature ne s'est que très peu intéressée au TPS en soi. Une adolescente percevant son timing pubertaire comme précoce est-elle à risque même si sa puberté survient objectivement au même âge que la majorité de ses pairs ? L'objectif de ce travail est de rechercher d'éventuelles corrélations entre TPS et adoption de comportements à risque chez des adolescentes rapportant un TPO dans la moyenne. Nos données proviennent de l'enquête SMASH 2002, une étude par questionnaire auto-administré conduite parmi un échantillon de 7548 adolescentes et adolescents suisses âgés de 16-20 ans. Des 3658 adolescentes de l'échantillon initial, nous ne sélectionnons que les 1003 d'entre elles qui ont répondu à la question sur le TPS et qui ont rapporté un âge à la ménarche de 13 ans, soit la moyenne et la médiane de l'âge à la ménarche rapporté par les 3658 adolescentes de l'échantillon initial. Ces 1003 adolescentes sélectionnées sont considérées comme ayant un TPO dans la moyenne. Ces 1003 adolescentes sont séparées en 3 groupes en fonction de leur TPS (précoce/correspondant à la moyenne/tardif). A l'aide d'analyses bivariées et logistiques, nous comparons ces 3 groupes en termes d'adoption de comportements à risque dans le champ de la sexualité (précocité des rapports sexuels) et dans celui de la consommation de substances (tabac, cannabis, drogues dures). Nos résultats montrent principalement qu'une perception de précocité pubertaire est associée avec une précocité des premiers rapports sexuels et de l'usage de drogues dures. A l'inverse, les adolescentes percevant leur puberté comme tardive rapportent moins fréquemment des rapports sexuels avant 16 ans que les adolescentes percevant leur puberté comme dans la moyenne. Les implications cliniques sont les suivantes : face à une adolescente percevant sa puberté comme étant ou ayant été précoce, le praticien devrait investiguer l'existence de comportements à risque même si la puberté survient ou est survenue à un âge similaire à ce qui est retrouvé chez la majorité des pairs. En effet, notre étude suggère que même si cette adolescente se trompe en percevant sa puberté comme précoce, la probabilité de comportements à risque est augmentée dans le champ de la sexualité et de la consommation de substances. Nos résultats suggèrent aussi que l'association retrouvée dans la littérature entre précocité objective de la puberté et comportements à risque chez les adolescentes n'est pas uniquement médiée par les changements corporels pubertaires mais qu'un facteur psychologique tel que la perception subjective est également impliqué.