The role of microRNAs and retinoid signaling during spinal cord regeneration in the adult newt.

The molecular events after spinal cord injury that lead to the establishment of a permissive environment and epimorphic regeneration remain unclear. Two molecular pathway regulators that may converge to create a spinal cord regeneration-permissive environment in the urodele are retinoic acid (RA) and microRNAs (miRNAs). Recent evidence suggests that RARβ-mediated signaling is necessary for tail and caudal spinal cord regeneration in the adult newt. MicroRNAs are attractive candidates as mediators of retinoid signaling during regeneration, as their pleiotropic effects are vital in situations where global changes in gene expression are required. Thus, the overall aim of this thesis was to determine if miRNAs are involved in tail and caudal spinal cord regeneration in the adult newt, and if they act as regulators and/or effectors of retinoid signaling during this process. I have demonstrated here, for the first time, that multiple miRNAs are dysregulated in response to spinal cord injury in the adult newt, as well as in response to inhibition of retinoid signaling. Two of these miRNAs, miR-133a and miR-1, appear to target RARβ2 transcripts both in vivo and in vitro. Inhibition of RA signaling via RARβ with a selective antagonist, LE135, alters the pattern of expression of these miRNAs, which leads to an inhibition of tail regeneration. These data are indicative of a negative feed back loop, albeit potentially an indirect one. I also aimed to examine which miRNAs are affected by inhibiting RA synthesis during regeneration, and provided a long list of miRNAs that are dysregulated. These data provide the foundation for future studies on the putative roles of these miRNAs, as well as their function in retinoid signaling. Overall, these studies provide the first evidence for a role for miRNAs as mediators of retinoid signaling during caudal spinal cord regeneration in any system.

Étude du rôle des gènes TGF-β1 et HSP-70 lors du processus de régénération du membre chez l’axolotl

Les urodèles amphibiens, dont fait partie l’axolotl (Ambystoma mexicanum), ont la capacité de régénérer leurs organes et membres suite à une amputation, tout au long de leur vie. La patte est l’organe dont le processus de régénération est le mieux caractérisé et ce dernier est divisé en deux phases principales. La première est la phase de préparation et commence immédiatement suite à l’amputation. Elle renferme des étapes essentielles au processus de régénération comme la guérison de la plaie et la formation d’une coiffe apicale ectodermique. Par la suite, les fibroblastes du derme et certaines cellules musculaires vont revenir à un état pluripotent via un processus appelé dédifférenciation cellulaire. Une fois dédifférenciées, ces cellules migrent et s’accumulent sous la coiffe apicale pour former le blastème. Lors de la phase de redéveloppement, les cellules du blastème se divisent puis se redifférencient pour régénérer la partie amputée. Fait intéressant, la régénération d’un membre ou la guérison d’une plaie chez l’axolotl ne mène jamais à la formation d’une cicatrice. Afin d’en apprendre plus sur le contrôle moléculaire de la régénération, les gènes Heat-shock protein-70 (Hsp-70) et Transforming growth factor-β1 (Tgf-β1) ont été sélectionnés. Ces gènes jouent un rôle important dans la réponse au stress et lors de la guérison des plaies chez les mammifères. HSP-70 est une chaperonne moléculaire qui est produite pour maintenir l’intégrité des protéines cellulaires lorsqu’un stress se présente. TGF-β1 est une cytokine produite suite à une blessure qui active la réponse inflammatoire et qui stimule la fermeture de la plaie chez les amniotes. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que Hsp-70 est exprimé et régulé lors du développement et de la régénération du membre chez l’axolotl. D’autre part, nos expériences ont mené à l’isolation de la séquence codante pour Tgf-β1 chez l’axolotl. Nos résultats montrent que Tgf-β1 est exprimé spécifiquement lors de la phase de préparation dans le membre en régénération. De plus, le blocage de la voie des Tgf-β avec l’inhibiteur pharmacologique SB-431542, lors de la régénération, mène à l’inhibition du processus. Ceci démontre que la signalisation via la voie des Tgf-β est essentielle à la régénération du membre chez l’axolotl.

Les cellules stromales multipotentes accélèrent la guérison de plaies cutanées chez les souris irradiées via la sécrétion de la chimiokine SDF-1α

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes (RI) peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération des tissus. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent largement inconnus encore aujourd’hui, ce qui a pour effet de limiter le développement d’approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle de guérison de plaie cutanée chez la souris, nous avons cherché à déterminer les mécanismes par lesquels l’exposition aux RI limite la régénération de la peau. Nos résultats démontrent que l’induction de la "stromal-derived growth factor 1α" (SDF-1α), une cytokine normalement surexprimée dans les tissus hypoxiques, est sévèrement diminuée dans les plaies de souris irradiées versus non-irradiées. Ce défaut corrèle avec un retard de guérison des plaies et est encore évident plusieurs mois suivant l’exposition aux RI, suggérant qu’il y a une altération permanente de la capacité de la peau à se réparer. Parce que SDF-1α est secrété principalement par les fibroblastes du derme, nous avons évalué le potentiel des cellules stromales multipotentes (MSCs), qui sont reconnues pour secréter des niveaux élevés de SDF-1α, à accélérer la régénération de la peau chez les souris irradiées. L’injection de MSCs en périphéries des plaies a mené à une accélération remarquable de la guérison de la peau chez les souris exposées aux RI. Les actions des MSCs étaient principalement paracrines, dû au fait que les cellules n’ont pas migré à l’extérieur de leur site d’injection et ne se sont pas différentiées en kératinocytes. L’inhibition spécifique de l’expression de SDF-1α a mené à une réduction drastique de l’efficacité des MSCs à accélérer la fermeture de plaie indiquant que la sécrétion de SDF-1α par les MSCs est largement responsable de leur effet bénéfique. Nous avons découvert aussi qu’un des mécanismes par lequel SDF-1α accélère la guérison de plaie implique l’augmentation de la vascularisation au niveau de la peau blessée. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent collectivement que SDF-1α est une importante cytokine dérégulée au niveau des plaies cutanées irradiées, et que le déclin du potentiel de régénération des tissus qui est observé suivant une exposition au RI peut être renversé, s’il est possible de restaurer le microenvironnement de la blessure avec un support stromal adéquat.

Implication des canaux K+ dans les processus de réparation de l’épithélium respiratoire sain et fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations du gène codant pour le canal Cl- CFTR. Au niveau respiratoire, cette dysfonction du transport transépithélial de Cl- occasionne une altération de la composition et du volume du liquide de surface des voies aériennes. Une accumulation de mucus déshydraté favorise alors la colonisation bactérienne et une réponse inflammatoire chronique, entraînant des lésions épithéliales sévères au niveau des voies aériennes et des alvéoles pouvant culminer en défaillance respiratoire. Le principal objectif de mon projet de maîtrise était d’étudier les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire sain, l’épithélium bronchique sain et FK à l’aide d’un modèle in vitro de plaies mécaniques. Nos résultats démontrent la présence d’une boucle autocrine EGF/EGFR contrôlant les processus de migration cellulaire et de réparation des lésions mécaniques. D’autre part, nos expériences montrent que l’EGF stimule l’activité et l’expression des canaux K+ KATP, KvLQT1 et KCa3.1 des cellules épithéliales respiratoires. L’activation de ces canaux est cruciale pour les processus de réparation puisque la majeure partie de la réparation stimulée à l’EGF est abolie en présence d’inhibiteurs de ces canaux. Nous avons également observé que les cellules FK présentent un délai de réparation, probablement causé par un défaut de la réponse EGF/EGFR et une activité/expression réduite des canaux K+. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de régulation des processus de réparation de l’épithélium sain et FK. De plus, ils ouvrent de nouvelles options thérapeutiques visant à promouvoir, à l’aide d’activateurs de canaux K+ et de facteurs de croissance, la régénération de l’épithélium respiratoire chez les patients atteints de FK.

Fonction de CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium des voies aériennes et développement de nouvelles stratégies thérapeutiques en fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations dans le gène codant pour le canal CFTR. La mutation la plus commune est la délétion du résidu Phe508 (∆F508), qui entraîne un mauvais repliement et la dégradation de la protéine mutée. Ainsi, l’absence du CFTR cause un dysfonctionnement du transport ionique et liquidien qui altère le phénomène de clairance mucociliaire. Il en résulte une accumulation de mucus visqueux obstruant les voies aériennes favorisant une colonisation bactérienne, spécialement par P. aeruginosa, et une inflammation chronique. Ces phénomènes entraînent des lésions épithéliales et un remodelage des voies aériennes. Selon nos analyses ultrastructurales de poumons issus de patients FK au moment de la transplantation, certaines zones de l’épithélium FK montrait des signes de d’initiation des processus de réparation. Malgré cela, un dommage épithélial progressif est observé chez les patients FK et il apparaît évident que les processus de réparation sont insuffisants pour permettre le rétablissement de l’intégrité épithéliale. Le principal objectif de mon étude était d’étudier le rôle du CFTR dans les mécanismes de réparation de l’épithélium FK et de déterminer l’impact de la correction du CFTR sur la réparation épithéliale et ce, en condition aseptique et en présence d’infection. Mes travaux montrent que l’épithélium des voies aériennes FK présente un défaut de réparation, associé, du moins en partie, à l’absence d’un CFTR fonctionnel. De plus, nous avons démontré pour la première fois que l’application du correcteur du CFTR VRT-325 permettait, non seulement, la maturation du CFTR, mais également une amélioration de la capacité des monocouches de cellules des voies aériennes FK à se réparer. D’autre part, nous avons montré que la présence du filtrat bactérien de P. aeruginosa (PsaDM) altérait non seulement l’expression et la fonction du CFTR, mais également les processus de réparation épithéliale. Enfin, nos résultats montrent que l’infection affecte la maturation du CFTR induite par le VRT-325 et diminue les effets bénéfiques du VRT-325 sur la réparation épithéliale. Mes travaux permettent de mieux comprendre le rôle du CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium FK et de proposer une nouvelle approche thérapeutique visant à promouvoir la régénération épithéliale chez les patients FK afin de tenter de stabiliser leur état, malgré l’effet délétère de la composante infectieuse.

ADRENERGIC RECEPTOR GENE EXPRESSION DURING PANCREATIC REGENERATION AND INSULIN SECRETION IN RATS –

In the present study, the changes in the brain EPI (Epinephrine), adrenergic receptors and the receptor gene expression were investigated during pancreatic regeneration and insulin secretion. The changes in the pancreatic islet EPI and adrenergic receptors were also studied in the pancreatectomised rats. The regulatory function of EPI in association with Epidermal growth factor (EGF) and glucose were investigated in rat islet cultures. In vitro studies were carried out using antagonists for adrenergic receptor subtypes to see their involvement in the islet DNA synthesis. The mechanism by which the peripheral EPI regulate insulin secretion was also investigated by studying the nuclear binding proteins in the pancreatic islets during pancreatic regeneration and diabetes. The study reveals that EPI can regulate the pancreatic islet cell proliferation by controlling the insulin synthesis and secretion. The brain adrenergic receptor gene expression and functional correlation regulate the pancreatic adrenergic receptors. The functional balance of α and β-adrenergic receptors controls the insulin secretion and pancreatic β-cell proliferation, which will have immense clinical significance in the treatment of Diabetes mellitus.

Hypothalamic 5-HT functional regulation through 5-HTIA and 5-HT2c receptors during pancreatic regeneration

nerv5o-HusT s ryescteempto. rTshaer oeb pjercetdiovme oinfa tnhtilsy s ltoucdaytewd ains ttoh ein bvreasitnig aanted tahree rionlveo olvf ehdy ipno tphaanlacrmeiact i5c- fHuTn,c t5i-oHn TaInAd acneldl p5r-HolTif2ercatrieocnepttohrr obuingdh isnygm apnadt hgeetniec pphtrqsHehepayaxuTevnepnpa cecIocnrhAirarettfyehilies pfceaasaai tdiolnetaoiae tcddnndmhc tr etab5aiueoncly-ggsamHr oermeHnndiaTasPeuituse2s rsLremdtca id oC tn[orri 3fegoa.5d H c n7t5-epseH.]2l- a mpHro nThtefeoTcv IsprrApeIueaAralga nesnaeterccninrdgrcrdeei e erntc aae5oeeettxg -pie.npHc ectTe rnotrTahoereersme2 rgas acseeiisthosnsxienaaoeprdmynrer a eicr wniestani pstalot iestrhsonov.aen r ted5u shloo-sm..yHifn nT pOe5RTgoh -u bINtH6iAhrys0AT a r%saluIe ta neussA mdxupidn plauya5tgnrnss - ei csHdssospr u sfT5teeg hia-s2cogHehticneef aT fisc.rmc it2teTr oacsc htmot gehr eppoteey oentc 5oh. rei -iarysTpdHsttpthee oTwonde[rt3I ,t ehp AgiH7rfaaeey2 ]lnnaa8 ce5nhmd-r O- doweaiHw caHn5atTnds-i sDc H I-ea7rAPrnT reodaA eg2atalguoyTncyelnz dan.sr eete5 ee5drrp-cdg a-HaebH itincpyTino Tc tr2nRore2cterThccaswee-r trpPe eahecctgCscyoet eRoeperpnmv tpo.feo autt5i rohlsen-ueraxHacdalpstaTtigsremor aeedcanynsuot asbs esnwli.y. o t er5e Ran5ex-nsgTH-pt Hudi-rTnPlwoeTa Csncatt sciohesRioo n oehnb ntna i ey7tgdn ne i huaundntel rs tywartii,nshn y ai5igngesss-

Decreased 5-HT2C receptor binding in the cerebral cortex and brain stem during pancreatic regeneration in rats

The purpose of this study was to investigate the role of central 5-HT2C receptor binding in rat model of pancreatic regeneration using 60-70% pancreatectomy. The 5-HT and 5-HT2c receptor kinetics were studied in cerebral cortex and brain stem of sham operated, 72 h pancreatectomised and 7 days pancreatectomised rats. Scatchard analysis with [3H] mesulergine in cerebral cortex showed a significant decrease (p < 0.05) in maximal binding (B^,ax) without any change in Kd in 72 h pancreatectomised rats compared with sham. The decreased Bmax reversed to sham level by 7 days after pancreatectomy. In brain stem , Scatchard analysis showed a significant decrease (p < 0.01) in Bax with a significant increase (p < 0.01) in Kd. Competition analysis in brain stem showed a shift in affinity towards a low affinity. These parameters were reversed to sham level by 7 days after pancreatectomy. Thus the results suggest that 5-HT through the 5-HT2C receptor in the brain has a functional regulatory role in the pancreatic regeneration. (Mol Cell Biochem 272: 165-170, 2005)

Enhanced /3-adrenergic receptors in the brain and pancreas during pancreatic regeneration in weanling rats

Adrenergic stimulation has an inyortant role in the pancreatic It-cell proliferation and insulin secretion. In the present study. we have investigaled how sympathetic system mgulales the panrrealic n I rnerui nr ht an:ilyiing I'pinephi inn 1111 ), Norepinephrinc (NE) and /1-adrenergic receptor changes in the brain as (%eli is in the I swirls. Fill and NII showed a significant decrease in the brain regions, pancreas and plasma :rt 72Ius iller partial prurcrealectonty. We observed an increase in the circulating insulin levels at 72 hrs. Scatchard analysis using I CHI propranolol showed a significant increase in the number of loth the low affinity and high affinity t-adrenergic receplors in cerebral cortex and hypothalamus of partially pancreatectornised rats during peak DNA synthesis. The affinity of the receptors decrea,ed significantly in the low and high affinity receptors of cerebral cortex and the high affinity hypothalamic receptors. In file brain stein, low affinity receptors were increased significantly during regeneration whereas there was no change in the high affinity receptors. The pancreatic ff-adrenergic receptors were also up regulated at 72 firs after partial panerealectony. In vitro studies showed that /i-adrenergic receptors are positive regulators of islet cell proliferation and insulin secretion. Thus our results suggest that the t-adrenergic receptors are functionally enhanced during pancreatic regeneration, which in turn increases pancreatic ft-cell proliferation an(hilisulin secretion in wean hug rats.

Decreased a2-adrenergic receptor in the brain stem and pancreatic islets during pancreatic regeneration in weanling rats

Sympathetic stimulation inhibits insulin secretion. a2-Adrenergic receptor is known to have a regulatory role in the sympathetic function. We investigated the changes in the a2-adrenergic receptors in the brain stein and pancreatic islets using [3H]Yohimbine during pancreatic regeneration in weanling rats. Brain stem and pancreatic islets of experimental rats showed a significant decrease (p<0.001) in norepinephrine (NE) content at 72 h after partial pancreatectomy. The epinephrine (EPI) content showed a significant decrease (p<0.001) in pancreatic islets while it was not detected in brain stem at 72 h after partial pancreatectomy. Scatchard analysis of [3H]Yohimbine showed a significant decrease (p<0.05) and Kd at 72 h after partial pancreatectomy in the brain stem. In the pancreatic islets, Scatchard analysis of [3H]Yohimbine showed a signiinfiBca'nnatx decrease (p<0.001) in B,nax and Kd (p<0.05) at 72 h after partial pancreatectomy. The binding parameters reversed to near sham by 7 days after pancreatectomy both in brain stein and pancreatic islets. This shows that pancreatic insulin secretion is influenced by central nervous system inputs from the brain stem. In vitro studies with yohimbine showed that the a2-adrenergic receptors are inhibitory to islet DNA synthesis and insulin secretion. Thus our results suggest that decreased a2-adrenergic receptors during pancreatic regeneration functionally regulate insulin secretion and pancreatic 13-cell proliferation in weanling rats.

Decreased (x1-Adrenergic Receptor Binding in the Cerebral Cortex and Brain Stem during Pancreatic Regeneration in Rats

purpose of this study was to investigate the role of brain al-adrenergic receptor binding in the rat model of pancreatic regeneration using 60-70% pancre:dectorny. The a, -adrenergic receptors kinetics was studied in the cerebral cor:cx and brain stem of sham operated . 72 It pan- crea(ectoinised and 7 days pancreatectomised rats. Scar chard analysis with I `I I lprazocin in cerebral cartes and brain stein showed a significant decrease (/' < 0.01). (P < 0.05) in maximal binding ( 1),,,,,) with it significant decrease (P < 0.001 ), ( P < 0.01) in the K,,in 72 It pancreatecto- raised rats compared with sham , respectively . Competition analysis in cerebral cortex and brain stem showed it shift in affinity during pancreatic regeneration . The sympathetic activity was decreased as indicated by the significantly de- increased norepinephrine level in the plasma (P < 0.001), cerebral cortex (P < 0.01) and brain stem (P < 0.001) of 72 h pancreatectomised rats compared to sham . Thus, from our results it is suggested that the central a, -adrenergic receptors have a functional role in the pancreatic regenera- Lion mediated through the sympathetic pathway.

Kinetic Parameters of Thymidine Kinase and DNA Synthesis During Liver Regeneration: Role Ofthyroid Hormones

The role of thyroid hormones in DNA synthesis and in the activity of Thymidille kinase (TK), a key regulatory enzyme of DNA synthesis was studied in proliferating hepatocytes in vivo. Liver regeneration after partial hepatectomy was used as a model for controlled cell division in rats having different thyroid status - euthyroid, hypothyroid and 3,3',5'-triiodo-L-thyronine (T))-heated hypothyroid. Partial hepatectomy caused a significant elevation of DNA synthesis (p<0.01) in all the three groups compared to their sham-operated counterparts. Hypothyroid liepatectomised animals showed significantly lower (p<0.01) level of DNA synthesis than euthyroid hepatectomised animals. A single subcutaneous close of 1'3 to hypothyroid shamoperated animals resulted in a significant increase (p<0.01) of DNA synthesis in the intact liver. 17tis was comparable to the level of DNA synthesis occurring in regenerating liver of euthyroid animals. In hypothyroid hepatectomised animals, "1'3 showed an additive effect on l)NA synthesis and this group exhibited maximum level of DNA synthesis (p<0.0I ). Studies of the kinetic parameters of TK show that the Michelis-Menten constant, (K111) of TK for thymidine was altered by the thyroid status. K11 increased significantly (p<0.01) in untreated hypothyroid animals when compared to the euthyroid rats. '13 treatment of hypothyroid animals reversed this effect and this group showed the lowest value for K111 (p<0.01). Thus our results indicate that thyroid hormones can influence DNA synthesis during liver regeneration and they may regulate the activity of enzymes such as 17rymidine kinase which are important for DNA synthesis and hence cell division.

Alterations in the muscarinic M I and M3 receptor gene expression in the brain stem during pancreatic regeneration and insulin secretion in weanling rats

Muscarinic M1 and M3 receptor changes in the brain stem during pancreatic regeneration were investigated. Brain stem acetylcholine esterase activity decreased at the time of regeneration . Sympathetic activity also decreased as indicated by the norepinephrine (NE) and epinephrine (EPI) content of adrenals and also in the plasma. Muscarinic Ml and M3 receptors showed reciprocal changes in the brain stem during regeneration. Muscairnic M1 receptor number decreased at time of regeneration without any change in the affinity. High affinity M3 receptors showed an increase in the number. The affinity did not show any change . The number of low affinity receptors decreased with decreased Kd at 72 hours after partial pancreatectomy. The Kd reversed to control value with a reversal of the number of receptors to near control value . Gene expression studies also showed a similar change in the mRNA level of Ml and M3 receptors . These alterations in the muscarinic receptors regulate sympathetic activity and maintain glucose level during pancreatic regeneration. Central muscarinic M1 and M3 receptor subtypes functional balance is suggested to regulate sympathetic and parasympathetic activity, which in turn control the islet cell proliferation and glucose homeostasis.

Increased 5-HT2C Receptor Binding in the Brain Stem And Cerebral Cortex During Liver Regeneration And Hepatic Neoplasia In Rats

In the present study, serotonin 2C (5-HT2c) receptor binding parameters in the brainstem and cerebral cortex were investigated during liver generation after partial hepatectomy (PH) and N-nitrosodiethylamine (NDEA) induced hepatic neoplasia in male Wistar rats. The serotonin content increased significantly (p<0.01) in the cerebral cortex after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. Brain stem serotonin content increased significantly (p<0.05) after PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of the 5-HT2c receptors in the crude synaptic membrane preparations of the brain stem showed a significant (p<0.001) increase after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of 5-HT2c receptors increased significantly (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia in the crude synaptic membrane preparations of the cerebral cortex. There was a significant (p<0.01) increase in plasma norepinephrine in PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia, indicating sympathetic stimulation. Thus, our results suggest that during active hepatocyte proliferation 5-HT2c receptor in the brain stem and cerebral cortex are up-regulated which in turn induce hepatocyte proliferation mediated through sympathetic stimulation.