La cystinose (MIM 21980) est une maladie de surcharge lysosomale héréditaire rare caractérisée par un efflux défectueux de cystine hors des lysosomes. Le gène impliqué dans la cystinose code pour une protéine transmembranaire lysosomale, la cystinosine, qui fonctionne comme un co-transporteur de cystine et de protons. De plus, la cystinosine, possède deux motifs d’adressage aux endosomes tardifs et aux lysosomes: un classique, le motif GYDQL dans sa partie C-terminale, et un nouveau signal conformationnel dans la boucle située entre les 5ème et 6ème domains transmembranaires. La première partie de mon projet de thèse vise à caractériser le trafic intracellulaire de la cystinosine. L’adressage des protéines de la membrane lysosomale à ces organelles peut se faire par deux voies, la voie directe (intracellulaire) et la voie indirecte (via la membrane plasmique), médiées par les complexes AP (AP- 1 à AP -4 et probablement récemment décrit AP- 5). Grâce à l’utilisation de la technique du double hybride, nous avons identifié une forte interaction entre le motif GYDQL et la sous-unité μ3 du complexe AP3. Par ailleurs, nous avons montré que la déplétion d'AP-3 dans des cellules HeLa conduit à une augmentation de localisation de la cystinosine-GFP à la membrane plasmique ainsi que à la rétention de la protéine chimère, proteine CD63 dont le signal d’adressage a été remplace par celui de la cystinosine (CD63-Cter-GFP), dans l’appareil de Golgi. Ces résultats confirment l’importance de la voie directe AP-3–dépendante dans l’adressage de la cystinosine au lysosome. La deuxième partie de mon projet a consisté à caractériser un éventuel nouveau rôle de la cystinosine. Grâce à une approche de protéomique, nous avons montré que la cystinosine interagissait avec divers membres de la voie mTORC1: les Rag GTPases RagA et RagC, les composantes du complexe Ragulator et la v -ATPase, pompe à protons couplant l’hydrolyse de l’ATP avec le transport de protons. Lors de la stimulation par des acides aminés, l’hétérodimère actif de Rag GTPases et le complexe pentamérique Ragulator recrutent mTORC1 à la surface des lysosomes, à proximité de son activateur Rheb, déclenchant la cascade de signalisation. En outre, il a été récemment montré que l'interaction, dépendante des acides aminés, entre la v-ATPase et le complexe Ragulator-Rag est nécessaire pour l’activation de mTORC1. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que la cystinosine et la v-ATPase pourraient fonctionner ensemble dans un mécanisme lysosomal de détection d'acides aminés appelé "inside-out". En effet, nous avons montré que l'absence de cystinosine a un impact à la fois sur le recrutement de mTORC1 aux lysosomes et sur le positionnement de ces organelles en réponse à la déprivation puis à l’ajout des acides aminés, ce qui démontre le double rôle de ce transporteur d'acides aminés. Ce rôle nouvellement décrit de la cystinosine pourrait aider à mieux comprendre la physiopathologie de la cystinose, conduisant ainsi à l'amélioration des traitements existants. / Pas de résumé en anglais

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Le gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) a été identifié en 1989. Vingt-cinq ans après, les mécanismes contrôlant sa fine expression, sont encore mal compris. Bien qu’environ 1980 mutations aient été découvertes, il reste des patients pour qui le génotype n’a pas été établi. Les éléments de régulation, décrits au sein du promoteur, ne peuvent à eux seuls expliquer cette complexe régulation tissu spécifique. Des éléments de régulation à distance, en cis ou en trans, sont certainement impliqués dans ce contrôle d’expression. L’objectif de ce projet est de mieux décrypter les mécanismes de régulation à distance du gène CFTR en identifiant des séquences régulatrices éloignées, mais pouvant, par des mécanismes de repliement, interagir spécifiquement avec celui-ci. Afin d’étudier ces contacts chromosomiques, nous avons, dans un premier temps, mis au point la technique de Capture de Conformation Chromosomique (3C). Suite à cette technique, nous sommes passés à une approche à plus grande échelle, la technique de Copie Conforme de 3C (5C), qui permet de mesurer des milliers d’interactions chromatiniennes en une analyse. L’organisation spatiale d’une région d’environ 790 kb recouvrant le gène CFTR, a été analysée dans des cultures primaires de cellules épithéliales nasales, exprimant le gène CFTR et des fibroblastes de peau, ne l’exprimant pas ou très peu. Les interactions entre les régions de ce locus et le promoteur CFTR ont été étudiées par séquençage nouvelle génération sur Ion PGM™. Nous avons comparé ces conformations chromatiniennes afin d’identifier des éléments de régulation spécifiques d’une expression de CFTR. Notre approche a été validée par l’identification de régions régulatrices précédemment décrites. De plus, nous avons mis en évidence de nouveaux contacts chromatiniens avec le promoteur CFTR. Ces régions semblent fortement impliquées dans la régulation de l’expression du gène CFTR. Grâce à la technique 3C et ses variantes, l’identification de nouvelles mutations à distance du gène pourraient expliquer des dérégulations de son expression. / The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene was identified in 1989. Twenty five years later, the regulatory mechanisms controlling its complex expression are still not fully understood. Although, almost 1980 mutations have been identified, many cases of cystic fibrosis or CFTR Related Disorders remain still of unknown origin. The promoter which binds transcription factors and drives some aspects of CFTR gene expression, cannot alone account for tissue specific control. This implicates other distal cis- or trans-acting elements in cell-type-specific regulation of CFTR expression. The aim of our project is to study long-range regulatory elements of the CFTR gene, which could interact specifically with the CFTR promoter by tri-dimensional folding mechanism. We first developed the Chromosome Conformation Captures (3C) approach to map these chromosomal contacts. Subsequently, we enhanced our analyses with a high-throughput adaptation of 3C: the 3C-Carbon Copy (5C) technology. This approach allows the analysis of millions chromatin interactions. Thus, we have analyzed the spatial organization of a ～790kb region, comprising the CFTR gene, in primary nasal epithelial cells, which express the gene, and primary skin fibroblasts, which do not express the gene. Interactions between this locus and the CFTR promoter have been analysed by next generation sequencing with the Ion PGM™. We have compared chromatin conformation in order to identify uncharacterized regulatory elements that act especially in CFTR-expressing cells. Our approach has been validated by the identification of previously characterized regulatory elements. Moreover, we identify novel chromatin contacts of the CFTR promoter with chromosomal regions, which could potentially be involved in CFTR gene expression regulation. Thanks to 3C and 3C-derivated analyses, we could identify new possible mutations far from the gene, which may lead to its dysfunction by modifying the chromatin conformation or regulatory elements.

De nombreux gènes impliqués dans la déficience intellectuelle (DI) restent encore à découvrir. Une des voies permettant l'identification de ces nouveaux gènes est la caractérisation de micro-réarrangements chromosomiques chez des patients atteints de DI. L'hybridation génomique comparative sur microréseau permet de détecter des déséquilibres génomiques de très petite taille touchant un ou quelques gènes. Les conséquences moléculaires de ces microdélétions ou microduplications sont différentes en fonction de la position du gène par rapport à leurs bornes. Nous avons ainsi montré l'implication du gène MBD5 dans le syndrome microdélétionnel 2q23.1 et la DI grâce à la caractérisation de trois délétions partielles, une duplication partielle et la première mutation non sens décrite dans ce gène. Nous avons également décrit chez des patients avec DI sévère un nouveau syndrome associé aux délétions de la région 4q21 et deux gènes candidats : PRKG2 et RASGEF1B. Ce syndrome est associé à un phénotype clinique reconnaissable, marqué surtout par un retard de croissance majeur et un retard psychomoteur sévère prédominant sur le langage. Par ailleurs nous avons étudié chez des garçons avec DI, deux duplications situées en Xq24q25 affectant le gène GRIA3. La première touche partiellement le gène, la seconde est situé en amont du gène et est responsable d'un effet de position. Pour finir nous avons étudié une famille consanguine dans laquelle ségrége une duplication 8p22 touchant partiellement le gène TUSC3 impliqué dans la DI de transmission autosomique récessive / A lot of intellectual disability (ID) genes have to be discovered. One of the approaches to identify new ID genes is to characterize chromosomal aberrations in affected patients. Array-CGH (Comparative Genomic Hybridization) made it possible to detect small CNV (Copy Number Variations) affecting only one or a few genes. Molecular outcomes of these microdeletions and microduplications are different depending on the position of the gene relative to the breakpoints. We have thus shown the involvement of MBD5 gene in the 2q23.1 microdeletion syndrome and in ID with the characterization of three partial deletions, a partial duplication and the first nonsense mutation described in this gene. We have also described in patients with severe ID a new syndrome associated with 4q21 deletions involving two candidate genes: PRKG2 and RASGEF1B. This syndrome is associated with a recognizable clinical phenotype with marked growth restriction, severe psychomotor delay and absent or severely delayed speech. In addition, we have studied two Xq24q25 duplications affecting GRIA3 gene in boys with ID. The first one affects partially the gene, the second one is located upstream of the gene and is responsible for a position effect. Finally we have studied a consanguineous family with a 8p22 duplication affecting partially TUSC3 gene which is involved in autosomal recessive ID

Les Peptide Nucleic Acids (PNA) sont des oligonucléotides antisens analogues de l’ADN, dont le squelette phosphodiester a été remplacé par un squelette pseudo-peptidique d’unités 2-aminoéthylglycine, sur lequel sont greffées des bases azotées. Des PNA dirigés contre les ARN messagers peuvent inhiber la traduction in vitro et dans les cellules humaines. Lorsqu’ils sont dirigés contre la partie codante du transcrit, des PNA polypyrimidiques peuvent bloquer physiquement l’élongation de la traduction en stoppant la machinerie ribosomale. Le transcrit n’est pas dégradé et une protéine tronquée est générée in vitro. Dans le cas de protéines dont la surexpression conduit à des pathologies, des protéines tronquées inactives peuvent jouer un rôle de dominant négatif dans les cellules. Des protéines tronquées de l’Insulin-like Growth Factor-1 (IGF1R), récepteur cellulaire surexprimé dans de nombreux cancers, inhibent la tumorigénèse et la résistance à l’apoptose de cellules cancéreuses. La pénétration cellulaire des PNA est la principale limite à leur utilisation in vivo et il est nécessaire de développer des transporteurs efficaces pour ces oligonucléotides neutres. Les Cell Penetrating Peptides (CPP) sont des peptides naturels ou synthétiques, qui peuvent être conjugués à différentes molécules pour promouvoir leur internalisation cellulaire. Les objectifs de ce travail de thèse étaient de comprendre les critères requis pour l’arrêt de l’élongation de la traduction par les PNA et d’étudier leur internalisation cellulaire médiée par le CPP (R/W)9. Nous avons montré qu’un couplage covalent entre ce peptide et deux PNA 13-mer permet l’internalisation des conjugués dans un système cellulaire rapporteur, conduisant à leur activité biologique en présence d’un agent lysosomotropique. Les conjugués interagissent avec les glycosaminoglycanes membranaires et sont internalisés par endocytose en moins d’une heure. De plus, les conjugués formés avec un peptide analogue comportant des lysines sont six fois moins internalisés, mettant en évidence l’importance des résidus arginines du peptide (R/W)9 pour l’interaction avec la membrane. Enfin, nous avons montré que le peptide (R/W)9 couplé à un PNA dirigé contre la séquence codante de l’IGF1R permet son internalisation dans les cellules de cancer de la prostate et que le conjugué inhibe spécifiquement l’expression de la chaîne β du récepteur. / Peptide nucleic acids (PNAs) are nucleic acid analogues in which the sugar-phosphate backbone has been replaced by a synthetic peptide backbone, usually comprised of N-(2-aminoethyl)-glycan units. PNAs targeted against mRNA can inhibit translation both in vitro and in human cells. Pyrimidine rich PNAs can physically block translation elongation at targets in the coding region of messenger RNA, giving rise to a truncated protein. Truncated proteins that lack a functional domain and can at the same time inhibit the function of the wild type protein are referred to as dominant negative. Truncated form of Insulin-like Growth Factor-1 receptor (IGF1R), protein overexpressed in numerous cancers, inhibits tumorigenesis and resistance to apoptosis of cancerous cells. One of the biggest limitations to the use of PNAs in vivo is their poor internalization. It is therefore necessary to develop efficient transporters able to enhance the cellular uptake of PNAs. Cell-penetrating peptides (CPPs) are natural or synthetic peptides that can be conjugated to different molecules in order to facilitate their cellular uptake. The objectives of this thesis were to understand the conditions required for the translation elongation arrest by PNAs and to study their cellular internalization mediated by CPP (R/W)9. We have shown that covalent coupling of two 13-mer PNAs to (R/W)9 facilitates their internalization in a reporter cell line, leading to their biological activity in the presence of a lysosomotropic agent such as chloroquine. The conjugates interact with membrane glycosaminoglycans and are internalized by endocytosis in less than one hour. Moreover, conjugates formed with an analogue peptide containing lysines in the place of arginines of (R/W)9 showed to be six time less efficiently internalized, suggesting the importance of arginine residues for the interaction of the conjugate with the membrane. We have also showed that the PNA targeted to the coding region of IGF1R coupled to (R/W)9 is efficiently internalized to prostate cancer cells where it inhibits the expression of the beta chain of the receptor.