Le PI(4,5)P2 est un des principaux régulateurs de la dynamique de l'actine. Entre autres, ce lipide active de multiples complexes impliqués directement dans la polymérisation de l'actine. Comprendre comment est régulée la concentration locale de PI(4,5)P2 dans le temps et l'espace est à cet égard un enjeu biologique important. L'hydrolyse du PI(4,5)P2 est cruciale pour le trafic endosomal et dépend essentiellement de la phosphatase OCRL dans les cellules non-neuronales. Cependant, le mécanisme qui permet le recrutement de cette enzyme sur les vésicules recouvertes de clathrine, précisément après leur scission de la membrane plasmique, est encore méconnu. Nous avons montré que la GTPase Rab35 recrute directement la phosphatase OCRL immédiatement après la scission de la vésicule recouverte de clathrine. De plus, la déplétion de Rab35 ou d'OCRL entraîne l'accumulation de récepteurs internalisés, tels que le CI-MPR, sur des endosomes à la périphérie de la cellule. Ces endosomes, alors anormalement associés à la clathrine, présentent également une accumulation de protéines liées au PI(4,5)P2 (telles que AP-2) ou à l'actine (telles que cortactine ou Arp2/3). Nous avons par ailleurs observé que le recrutement de Rab35 sur les vésicules recouvertes de clathrine suit rapidement le recrutement de DENND1A, la protéine GEF de Rab35 et la disparition d'EPI64B, la GAP de Rab35. Nos résultats montrent que l'activation spatiale et temporelle précise de la GTPase Rab35 déclenche le recrutement de la protéine OCRL sur les endosomes nouvellement formés pour contrôler les niveaux de PI(4,5)P2 et d'actine, et permettre un trafic intracellulaire normal à partir de ces endosomes. / PI(4,5)P2 is one of the major regulators of actin dynamics. This lipid activates numerous complexes that are directly involved in actin polymerisation. Therefore, it is a major biological issue to understand how the local concentration of PI(4,5)P2 is regulated in time and space. The hydrolysis of PI(4,5)P2 is crucial for endosomal trafficking and principally depends on the phosphatase OCRL in non-neuronal cells. However, this enzyme is recruited on clathrin-coated vesicles right after their separation from the plasma membrane but the underlying mechanism remained unanswered so far. During my thesis, I have shown that the GTPase Rab35 recruits a phosphatase, OCRL, straight after the separation of the clathrin-coated vesicle from the plasma membrane. The depletion of Rab35 or OCRL leads to an accumulation of internalised receptors such as CI-MPR on peripheral endosomes. These endosomes are abnormally associated with clathrin and also present an accumulation of proteins linked to PI(4,5)P2 (such as AP-2) or to actin (such as cortactin or Arp2/3). Moreover, we observed that the recruitment of Rab35 on clathrin-coated vesicles quickly follows the recruitment of DENND1A, the GEF of Rab35, and the disappearance of EPI64B, the GAP of Rab35. Our results reveal that the precise spatial and temporal activation of GTPase Rab35 triggers the recruitment of the protein OCRL on newly formed endosomes to control the levels of PI(4,5)P2 and actin thus enabling normal intracellular trafficking from these endosomes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les champignons sont les principaux agents pathogènes des plantes. Leur étude est donc essentielle pour contrôler les maladies et maintenir un bon rendement de production agricole. La nutrition de ces pathogènes est basée sur l'absorption de nutriments, préalablement dégradés par un arsenal d'enzymes lytiques secrétées. La sécrétion des protéines est assurée par le trafic intracellulaire mettant en jeu de nombreuses vésicules. Chez les champignons filamenteux, ces vésicules ont été visualisées en microscopie électronique mais le processus mis en jeu pour leur biogénèse n'est toujours pas élucidé. L'identification de ce mécanisme est un donc un prérequis pour comprendre la sécrétion de facteurs de virulence. Dans ce but, un mutant non pathogène altéré au niveau de l'expression du gène codant la chaine lourde de la clathrine a été sélectionné parmi une banque de mutants générés chez le champignon nécrotrophe Botrytis cinerea. Le gène codant pour la chaine lourde de la clathrine est essentiel chez de nombreux organismes, ainsi un mutant dominant négatif de la chaine lourde de la clathrine a été généré et confirme la perte de pathogénicité. La caractérisation du mutant par une approche de protéomique a mis en évidence un défaut de sécrétion de 82 protéines incluant des facteurs de virulence connus. Un défaut de production de vésicules intracellulaires a également été constaté. Par ailleurs, le marquage de la clathrine à la GFP a permis de préciser sa localisation dans les cellules fongiques. Enfin, de façon surprenante, aucun défaut d'endocytose n'a été constaté au sein des mutants déficients en clathrine. Cette étude met en évidence pour la première fois le rôle essentiel de la clathrine dans le processus infectieux d'un champignon pathogène ainsi que son rôle dans a sécrétion de facteurs de virulence / Fungi are the most important plant pathogens on agricultural and horticultural crops. Study of fungal pathogens remains essential to understand pathogenic process and control plant diseases. These organisms secrete high amount of degrading enzymes involved in plant decomposition and they feed by absorption of degraded nutriments. Secretory proteins were described to be transported form Endoplasmic Reticulum and Golgi apparatus to extracellular space through intracellular vesicles. In filamentous fungi, intracellular vesicles were observed using electron microscopy but their biogenesis process is still unknown. Therefore, elucidation of the process and the identification of proteins involved in secretory vesicles biogenesis remains a challenge to understand virulence factors delivery. A nonpathogenic mutant altered in the expression of the gene coding for clathrin heavy chain was selected in a random mutant library generated in the necrotrophic pathogen Botrytis cinerea,. This gene is essential in many organisms, thus a clathrin dominant negative mutant was generated and confirming the nonpathogenic phenotype observed on several host plant. In eukaryotic cells, clathrin heavy chain is mainly described to be involved in endocytosis, but it is also essential for high density secretory vesicles formation in yeast. Characterization of the mutants using a proteomic approach revealed a secretion defect of 82 proteins including known virulence factors, as Plant Cell Wall Degrading Enzymes and elicitors. Furthermore, the clathrin mutant revealed a strong reduction of intracellular vesicles production. Clathrin was also localized in living cells using fluorescent GFP-tag protein. Endocytosis was also studied and surprisingly, any observable defect was observed for clathrin mutants. This study demonstrated for the first time the essential role of clathrin in the infectious process of a fungal pathogen and its role in virulence factors secretion

Le complexe Scar/WAVE génère la formation des lamellipodes par l'intermédiaire du complexe Arp2/3 responsable de la polymérisation de réseaux d'actine branchés. Dans le but d'identifier de nouveaux régulateurs du complexe Scar/WAVE, nous avons conduit un crible en cellules de Drosophiles combinant une approche protéomique à une approche de génomique fonctionnelle. La chaîne lourde de la clathrine a été identifiée au cours de ce crible comme une protéine interagissant avec le complexe Scar/WAVE et dont la déplétion affecte la formation des lamellipodes. Ce rôle de la clathrine dans la formation des lamellipodes peut être découplé de son rôle classique dans le transport vésiculaire en utilisant différentes approches. De plus, la clathrine est localisée au lamellipode en l'absence d'adapteurs et des protéines accessoires de l'endocytose. La surexpression de la clathrine affecte le recrutement membranaire du complexe WAVE réduisant ainsi la vélocité des protrusions membranaire et la migration cellulaire. Par opposition, lorsque la clathrine est envoyée artificiellement à la membrane plasmique par une fusion à une séquence myristoylée, on observe une augmentation du recrutement membranaire du complexe Scar/WAVE, de la vélocité des protrusions membranaires et de la migration cellulaire. L'ensemble de ces résultats montrent que la clathrine envoie le complexe Scar/WAVE à la membrane plasmique et donc contrôle la formation des lamellipodes en plus de son rôle plus classique dans le traffic membranaire.

La cellule eukaryote est organisée en plusieurs compartiments, appelés organelles, délimités par des membranes. La fission des membranes est nécessaire pour le transport intracellulaire entre organelles. L'endocytose est un mécanisme de transport depuis la membrane plasmique vers les autres organelles. La Dynamine est une guanosine triphosphatase (GTPase) impliquée dans la fission des vésicules pendant l'endocytose médiée par la Clathrine. Elle polymérise en hélice au coup des bourgeons endocytiques. Après hydrolyse du GTP, la structure de l'hélice est modifiée : le rayon interne diminue de 10 à 5 nm et le pas hélical de 13 à 9 nm. Ces modifications indiquent un mécanisme de constriction. La dynamique de constriction est étudiée en suivant la rotation de microbilles attachées à des tubes lipidiques recouverts de Dynamine. La déformation des hélices de Dynamine est concertée et amortie par la friction entre membrane et Dynamine. Cependant la constriction ne suffit pas pour la fission. Pour comprendre davantage son mécanisme, la fission par la Dynamine est étudiée à l'aide de tubes lipidiques extraits de vésicules unilamellaires géantes. La fission se produit au bord de l'hélice, où la membrane est fortement courbée. D'après l'analyse statistique des temps de fission, la réaction de fission peut être modélisée par une unique barrière énergétique. La dépendance du temps de fission en rigidité de membrane, en tension de membrane et en couple est établie théoriquement et validée expérimentalement. Ce travail établit le profil énergétique de la réaction de fission membranaire et évalue à 70 kT la barrière énergétique.

Les étapes précoces de l’infection virale sont des évènements critiques dans le déroulement du cycle viral. Notamment, l’entrée virale est la première étape d’interaction entre un virus et une cellule permettant d’initier, de maintenir et de propager l’infection. De ce fait, cette étape constitue une cible majeure de la réponse immunitaire adaptative de l’hôte. C’est ainsi que cette étude bipartite s’est intéressée aux étapes précoces de l’infection du virus de l’hépatite C (HCV). Dans un premier temps, l’obtention de clones de cellules Huh-7.5 n’exprimant plus le récepteur néonatal des immunoglobulines, le FcRn, a permis d’analyser l’implication de ce récepteur dans la neutralisation du HCV par des anticorps neutralisants. Les résultats obtenus nous informent que le récepteur FcRn n’intervient vraisemblablement pas dans la modulation de la neutralisation du HCV. Dans un second temps, nous avons réalisé une étude préliminaire afin d’approfondir les mécanismes régissant l’endocytose du HCV : à savoir, quelles sont les protéines adaptatrices responsables du déclenchement de l’endocytose dépendante de la clathrine et s’il existe une potentielle voie d’entrée alternative pour ce virus. A ces fins, nous avons opté pour une stratégie basée sur la transfection de siRNA, couplée à l’utilisation des pseudoparticules HCVpp qui constituent une approche encore pertinente appliquée à l’étude de l’entrée du HCV. / The early steps during a viral infection are critical events in the course of the viral cycle. Particularly, the viral entry is the first step allowing the interaction between a virus and a cell to initiate, maintain and propagate an infection. Therefore, this very step is a major target for the host adaptive immunity. This bipartite study is focused on the early steps of the infection by the hepatitis C virus (HCV). First of all, generation of Huh-7.5 clones whose expression of the neonatal Fc receptor, FcRn, has been deleted gave us the opportunity to analyze the involvement of this receptor during the neutralization of HCV by neutralizing antibodies. Regarding the results, it appears unlikely that the FcRn modulates the neutralization of HCV. Then we conducted a preliminary study to further explore the mechanisms underlying the endocytosis of HCV: that is, which are the adaptor proteins that trigger the clathrine-mediated endocytosis and if there is another putative entry pathway for the virus. To these ends we opted for a RNAi based strategy coupled to the use of HCV-derived pseudo-particles (HCVpp) that are still useful and relevant tools dedicated to HCV-entry studies.

Les carcinomes hépatocellulaires (CHC) sont la deuxième cause de décès par cancer dans le monde. La signalisation du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) joue un rôle au cours du développement des CHC. Il a été montré que le trafic intracellulaire régulait la signalisation des récepteurs de la famille ErbB dans les CHC. De façon intéressante, l'expression de la clathrine, un acteur majeur de l'endocytose, est anormalement élevée dans les CHC. Ainsi, les objectifs de nos travaux étaient de définir si l'endocytose module la signalisation de la famille des récepteurs ErbB en réponse à divers ligands. Les expériences ont été effectuées dans trois lignées cellulaires issues de CHC, qui expriment des niveaux variables des différents récepteurs ErbB. Nos résultats montrent que l'inhibition de l'expression de la clathrine par ARN interférence était associée à une diminution significative de la phosphorylation des récepteurs EGFR, ErbB2 et ErbB3. La phosphorylation de STAT3 était significativement augmentée dans toutes les lignées. Les conséquences de l'inhibition pharmacologique de la dynamine et de la régulation négative de SMAP1 par ARN interférence ont été étudiées dans la lignée Hep3B. L'inhibition de la dynamine entraînait une augmentation significative des niveaux de phosphorylation d'EGFR, d'ErbB3 et d'AKT, alors que SMAP1 ne jouait aucun rôle dans la signalisation. Au total, nos observations soulignent que la signalisation des récepteurs ErbB dans les CHC est un processus complexe qui dépend de l'expression des différents membres de la famille ErbB et de la disponibilité de leurs ligands dans l'environnement tumoral. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is the second leading cause of death by cancer in the world. The epidermal growth factor receptor (EGFR) signalling axis plays a key role in HCC. Intracellular trafficking has been shown to regulate receptor signalling, and to be altered in HCC. Our aim was to investigate whether endocytosis may modulate signalling of the ErbB receptor family in response to various ligands. The experiments have been performed in three HCC cell lines, which express variable levels of ErbB receptors. We investigated the role of clathrin, dynamin, and SMAP1 (Small ArfGAP1). Our results show that the effects of down-regulating clathrin by siRNA varied among HCC cell lines, depending on the ligand. Upon clathrin down-regulation by RNA interference, EGFR phosphorylation decreased in Hep3B and in PLC/PRF/5 cells stimulated with AR, EGF or HB-EGF, as well as in HRG-stimulated PLC/PRF/5 cells. Clathrin inhibition decreased ErbB2 phosphorylation in HepG2 cells stimulated with EGF, HB-EGF or HRG, and in HRG-stimulated PLC/PRF/5 cells. Phosphorylation of ErbB3 significantly decreased in all cell lines upon stimulation with EGF, HB-EGF or HRG. STAT3 phosphorylation significantly increased in all cell lines. Dynamin inhibition by dynasore led to a significant increase in the phosphorylation levels of EGFR, ErbB3 and AKT, in the Hep3B cell line. SMAP1 played no role in the early signalling of ErbB receptors upon stimulation with whatever ligand. Altogether, our observations underline that ErbB signalling in HCC is a complex process that may depend on the expression of the various ErbB family members and on the availability of their ligands in the tumour environment.

L’endocytose dépendante de la clathrine (EDC) est la principale voie d’internalisation des récepteurs de surface et de leurs ligands. L’internalisation se fait suite à l’invagination de la membrane plasmique vers l’intérieur de la cellule suite à la formation, dans un premier temps, de puits recouverts de clathrine (PRCs) qui bourgeonnent ensuite en vésicules recouvertes de clathrine dans le cytosol. L’EDC est un processus très dynamique qui a lieu en l’espace de 30 sec-1mn. Elle est impliquée dans de multiples fonctions et permet ainsi à la cellule de réguler l’expression de ses protéines en surface, de répondre aux signaux de prolifération ou migration envoyés par l’environnement immédiat via l’activation de voies de signalisation spécifiques ou encore de réguler le renouvellement des composants de la membrane plasmique. De par son importance, des dérégulations de l’endocytose dépendante de la clathrine ont déjà été observées dans les cancers. Ces modifications peuvent impliquer directement l’EDC en modifiant ses composants ou indirectement lors d’altérations de récepteurs régulés par celle-ci. La progression tumorale est elle-même régulée par de multiples facteurs, notamment l’accumulation de mutations qui ont des conséquences sur les cellules cancéreuses elle-même ou bien sur l’environnement immédiat, formant ainsi la « niche tumorale ». Ces changements agissent réciproquement sur la progression tumorale afin de l’amplifier. Lors de la croissance tumorale, les cellules cancéreuses recrutent des fibroblastes qui vont participer au remodelage et à l’augmentation de la rigidité autour de la tumeur. La rigidité de la matrice extracellulaire est détectée par les cellules ce qui envoie des signaux déclencheurs de prolifération et de migration en conséquence. Cette détection passe essentiellement par les intégrines à la surface membranaire qui vont s’agréger et induire des cascades de signalisation impliquées dans ces réponses. Ces intégrines peuvent se regrouper dans deux types de structures, les adhésions focales et les structures recouvertes de clathrine. En ce qui concerne ces dernières, il a été démontré précédemment que la rigidité du substrat augmente sa force d’interaction avec les intégrines, et empêche ainsi l’internalisation des vésicules recouvertes de clathrine, on parle alors d’ « endocytose frustrée ». Cette rétention des structures recouvertes de clathrine à la surface provoque une signalisation soutenue à la surface au lieu de l’arrêter par dégradation ultérieure des récepteurs dans les lysosomes. Le laboratoire a démontré que les structures de clathrine frustrées capturent ainsi différent récepteurs conduisant à une signalisation accrue dans la voie de la MAP Kinase Erk. Mon projet de thèse repose sur ces observations en s’intéressant plus particulièrement au rôle d’une autre modification induite par la croissance tumorale, le confinement. En effet, en se multipliant de manière incontrôlée dans un environnement spatialement restreint, les cellules tumorales se retrouvent soumises à des forces de compression. Les résultats mis en évidence au cours de ma thèse ont montré que le confinement provoque, comme la rigidité, une frustration des structures de clathrine qui ne sont donc plus capables de soutenir l’endocytose des récepteurs. De plus, la compression cellulaire induit le clivage d’un pro-ligand de l’EGFR, le HB-EGF, ce qui conduit à l’activation paracrine de l’EGFR et à l’activation de la voie Erk. En effet, l’absence de facteurs de croissance dans le milieu ainsi que l’inhibition de ce clivage démontrent la nécessité de la mise en place de ce mécanisme. En résumé, le confinement induit le clivage du pro-ligand HB-EGF, qui à son tour va activer le récepteur à l’EGF. En parallèle, l’endocytose est ralentie et provoque une signalisation accrue à la membrane. Ces deux évènements coopèrent pour mener à une très forte activation de la voie Erk. / Clathrin-mediated endocytosis (CME) is the major route of endocytosis for many cargos in eukaryotic cells. Endocytosis takes place at clathrin-coated pits (CCPs), small assemblies of clathrin and clathrin adaptors randomly distributed at the plasma membrane. Clathrin polymerization induces the progressive bending of the plasma membrane resulting in the formation of a vesicle budding off into the cytosol. CME is a highly dynamic process with an average lifetime of CCPs in the order of 30 seconds. In this manner, CME fulfills a range of different functions and enables cells to regulate the surface expression of proteins, to sample the cell’s environment for growth and guidance cues, to control the activation of signaling pathways and to turn over membrane components by sending these components for degradation in the endo-lysosomal pathway. A deregulation of the endocytic pathways was previously shown to be involve in cancer. These modifications can affect CME directly by modifying its actors, or indirectly with mutations on receptors or cargoes undertaken by CME. Tumor progression is dependent of several factors, the first one involving the accumulation of mutations which results in modifications in the cells themselves or on their surrounding environment by changing its biochemical and physical properties, leading to the formation of the tumor niche. These changes reciprocally foster cancer progression. During tumor growth, fibroblasts will be recruited around tumor cells, leading to the remodeling of the microenvironment and to an increase of rigidity nearby the tumor. This stiffness is sensed by the cells and send signals for proliferation and migration as a result. Stiffness sensing engages mainly integrins at the cell surface which will aggregate and initiate signaling cascades accountable for these responses. Integrins are capable of clustering into two types of structures: focal adhesions and clathrin-coated structures (CCSs). Regarding CCSs, it was shown previously that high stiffness strengthen the interaction between integrins and the substrate, hence preventing the budding off of the vesicle, and this is referred to as “frustrated endocytosis”. This holding of CCSs at the cell surface promotes a sustained signaling at the plasma membrane instead of a signal termination after internalization and further degradation in lysosomes. My PhD project relied on these previous findings, with a particular focus on another mechanical alteration observed in tumors, the confinement. Indeed, during the uncontrolled proliferation of cancer cells in a spatially restricted area, cells become subjected to compressive forces. The results I obtained indicate that confinement leads to frustrated endocytosis and hence to sustained signaling from the plasma membrane. In addition, compression also leads to HB-EGF shedding at the cell surface, and the resulting EGF product activate the EGFR in a paracrine manner, thus leading to the activation of the MAP kinase Erk signaling pathway. Indeed, both the absence of EGFR ligands in the medium and the inhibition of the shedding demonstrate the necessity of this mechanism in EGFR activation. To sum up, confinement induces the shedding of the EGFR pro-ligand HB-EGF necessary to EGFR activation in these conditions. Simultaneously, endocytosis is delayed and frustrated endocytosis leads to sustained signaling at the cell surface. Together, these events cooperate to strongly activate the Erk pathway. These findings highlight the interplay between the physical feature of the tumor environment and signaling pathways known to govern tumor growth.

La migration cellulaire est un processus fondamental au maintien des fonctions physiologiques de l’organisme. Elle est également centrale dans de nombreuses pathologies et entre notamment en jeu lors de la dissémination métastatique. Lorsqu’elles migrent, les cellules utilisent des structures d’adhésion afin de s’appuyer sur leur environnement. Nous avons récemment montré que les puits recouverts de clathrine, plus connus pour leur rôle dans l’endocytose, peuvent également servir de structures d’adhésion. Dans ce manuscrit, je démontre que certains ligands internalisés par la voie d’endocytose clathrine peuvent également se lier à la matrice et orienter la migration cellulaire en régulant les structures adhésives de clathrine.J’ai commencé par montrer que le collagène est associé à plus de structures de clathrine et a plus de protrusions lorsqu’il est recouvert par des ligands. J’ai ensuite montré que les cellules appliquaient plus de forces sur des fibres de collagènes décorées par des ligands et que ce surplus de force nécessite la présence de structures de clathrine. Enfin j’ai montré que les cellules suivent les ligands liés à des réseaux de collagène en 3D et que cette migration dirigée nécessite également la présence de structures de clathrine. Ce mécanisme de migration pourrait notamment permettre aux cellules de suivre des gradients de ligands liés à la matrice in vivo et ainsi de s’orienter dans l’organisme. / Cell migration is a fundamental process in the development and homeostasis of multicellular organisms. It is also central to many pathologies and it is especially important for metastatic dissemination. When migrating, cells use adhesion structures to push on their substrate in order to move forward. We recently showed that clathrin coated structures, primarily known as endocytic structures, can also serve as adhesion structures. In this manuscript, I show that some ligands internalized through clathrin mediated endocytosis can also bind to the extracellular matrix and orient cell migration using adhesive clathrin structures.I first showed that ligand-decorated collagen fibers are associated with more clathrin structures and more protrusions. I then showed that cells applied more forces to the ligand-decorated collagen fibers and this extra amount of forces requires the presence of clathrin structures. Finally, I showed that cells can migrate following collagen-bound ligands in 3D, this directed migration also requiring the presence of clathrin structures. Such migration mechanism could be used by cells to follow in vivo gradient of matrix-bound ligands and thus find their way when migrating inside the body.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.