Une cellule reçoit et intègre une multitude de signaux physiques et biochimiques. Elle est capable de sentir et de répondre à ces signaux de sorte que ses fonctions s’accordent avec son environnement. Si l’intégration de ces signaux est hautement régulée par des voies de signalisation et de rétroaction, certaines étapes semblent résulter de processus d’auto-organisation géométrique et mécanique du réseau d’actine. Il est capable de s’auto-assembler et d’adopter différentes architectures. Celles-ci sont autant de modules qui coexistent dans la cellule avec une claire ségrégation spatiale et fonctionnelle. Notamment, le cytosquelette d’actine participe à l’intégration des signaux encodés par la matrice extracellulaire. Cette intégration suppose entre autre, une régulation des forces de tension entre la cellule et son environnement impliquant le cytosquelette d’actine, les adhésions cellulaire et la matrice. Afin d’explorer ces mécanismes, nous avons eu recours à des techniques avancées de micropatterning, de mesure de force de traction cellulaire et de microdissection laser. Nous avons ainsi montré en réprimant l’expression de l’ alpha-actinine, une des principales protéines de réticulation du cytosquelette d’actine, que la connectivité du réseau d’actine était essentielle à l’intégration des signaux émanant de la matrice extracellulaire. Elle participe à l’évaluation de la rigidité de la matrice et au mécanisme de migration dirigé haptotactique. Elle participe donc potentiellement aux mécanismes de différentiation cellulaire et au maintien de la polarité cellulaire. Dans le même esprit nous avons pris part à une étude portant sur l’organisation et la maturation des adhésions cellulaires, en participant à la caractérisation d’une protéine d’adhésion Kank2. Nous avons ainsi pu démontrer le rôle essentiel de cette protéine dans le phénomène de rigidity sensing. L’ensemble de l’étude ayant montré l’implication de cette protéine dans le processus de maturation des adhésions cellulaires et de mécano-transduction. / Cells sense and integrate a wealth of mechanical and biochemical signals. Signal integration is part of a process, which ensures that cellular functions are in accordance with the extracellular environment. While these processes are highly regulated by biochemical and mechanical signalling and feedback loops, some of the fundamental processes appear to rely on actin cytoskeleton autoassembly giving raise to modules with defined geometrical and mechanical properties. Thus the actin cytoskeleton is a modular architecture, and the modules co-exist within the cell with spatial and functional specificity. The actin cytoskeleton, notably, is involved in cell/matrice signalling. This interaction relies mainly on mechanical signalling involving the actin cytoskeleton, cell/matrix adhesions and the extracellular matrix. To characterize these mechanisms we took advantage of advanced micropatterning techniques, traction force measurements and laser microdissection. By downregulating the expression of α-actinin, one of the main actin crosslinking proteins, we demonstrated that actin cytoskeleton connectivity is essential for proper integration of cell/matrix signalling. Connectivity is essential for rigidity sensing and haptotaxis by ensuring balanced force distribution through the whole cell. Therefore connectivity might be crucial for cell differentiation processes and cellular polarity. Further, in the context of a collaborative project, we have contributed to the characterization of a novel cell adhesion protein, namely, Kank2. We showed, by traction force measurements, that this protein is essential for rigidity sensing. Globally this study demonstrated the implication of Kank2 in cell adhesion maturation and mecanotransduction.

Mutations in profilin 1 (PFN1) cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a fatal neurodegenerative disease that targets motor neurons. PFN1 is a 15 kDa protein that is best known for its role in actin dynamics. However, little is known about the pathological mechanisms of PFN1 in ALS. In this dissertation, it is demonstrated that certain familial ALS-linked mutations severely destabilize the native conformation of PFN1 in vitro and cause accelerated turnover of the PFN1 protein in neuronal cells. This mutation-induced destabilization can account for the high propensity of ALS-linked variants to aggregate and also provides rationale for their reported functional defects in cell-based assays. The source of this destabilization is illuminated by the crystal structures of several PFN1 proteins, revealing an expanded cavity near the protein core of one ALS variant and predicting a non-surface exposed cavity in another. Functional biochemical experiments point to abnormalities in actin filament nucleation and elongation caused by PFN1 mutants. In HeLa cells, PFN1 is essential for the generation of actin-rich filopodia and expression of mutant PFN1 alters filopodia density further supporting a pathogenesis mechanism involving actin cytoskeleton. Taken together, this dissertation infers that the pathogenesis of ALS due to mutations in PFN1 can be mediated at least by two possibly related mechanisms, a destabilization of the native PFN1 structure and an impact on the actin assembly processes.

In T cells, processes such as migration and immunological synapse formation are accompanied by the dynamic reorganization of the actin cytoskeleton, which has been suggested to be mediated by regulators of RhoGTPases and by F-actin bundlers. SWAP-70 controls F-actin dynamics in various immune cells, but its role in T cell development and function has remained incompletely understood. CD4+ regulatory T (Treg) cells expressing the transcription factor Foxp3 employ diverse mechanisms to suppress innate and adaptive immunity, which is critical for maintaining immune homeostasis and self-tolerance. Here, we propose Swap-70 as a novel member of the Foxp3-dependent canonical Treg cell signature. We show that Swap-70-/- mice have increased numbers of Foxp3+ Treg cells with an effector/memory-like phenotype that exhibit impaired suppressor function in vitro, but maintain overall immune homeostasis in vivo. Upon formation of an immunological synapse with antigen presenting cells in vitro, cytosolic SWAP-70 protein is selectively recruited to the interface in Treg cells. In this context, Swap-70-/- Treg cells fail to downregulate CD80/CD86 on osteoclast precursor cells by trans-endocytosis and to efficiently suppress osteoclastogenesis and osteoclast function. These data provide first evidence for a crucial role of SWAP-70 in Treg cell biology and further highlight the important non-immune function of Foxp3+ Treg cells in bone homeostasis mediated through direct SWAP-70-dependent mechanisms.

Le cerveau contient environ cent milliards de cellules nerveuses, ou neurones. Ces neurones communiquent entre eux par des structures fonctionnellement distinctes – l’axone et la dendrite – capables d’émettre et recevoir des signaux électriques ou chimiques à partir d’un compartiment présynaptique vers un compartiment, dit post-synaptique. Nous avons focalisé notre étude sur les synapses des neurones hippocampiques, qu’on estime responsables de fonctions cérébrales dites supérieures, comme la mémoire et l’apprentissage. Plus particulièrement, on s’est intéressé au développement et au maintien des épines dendritiques, dont les changements morphologiques sont intimement liés à la plasticité synaptique, autrement dit, capacité de réponse à l’activité synaptique. Les épines dendritiques ont pour origine les filopodes qui évoluent en épines lors du contact axonal. La transition entre filopode et épine implique une myriade de molécules, dont des récepteurs glutamatergiques, des protéines d’échafaudage et du cytosquelette d’actine capables de recevoir, transmettre et intégrer le signal présynaptique. Cependant, la coordination spatiale et temporelle de tous ces composants moléculaires au long de la formation et maturation d’une synapse reste largement méconnue.Scribble1 (Scrib1) est une protéine de polarité cellulaire (PCP) classiquement impliquée dans l’homéostasie de tissues épithéliaux ainsi que dans la croissance et progression des tumeurs. Scrib1 est aussi une protéine d’échafaudage critique pour le développement et le bon fonctionnement du cerveau. L’objectif de cette étude a donc été d’étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents à un rôle potentiel de Scrib1 dans la formation et le maintien des synapses. Dans un premier temps, on a décrit l’importance d’interactions dépendantes des domaines PDZ sur le trafic des récepteurs glutamatergiques ainsi que sur la voie de signalisation de plasticité synaptique sous-jacente à la mémoire spatiale. Dans un second temps, nous avons évalué les conséquences fonctionnelles d’une mutation de Scrib1 récemment identifiée chez un patient humain atteint des troubles du spectre autistique (TSA) dans la morphologie et fonction des neurones. On a démontré que Scrib1 régule l’arborisation dendritique ainsi que la formation et le maintien fonctionnel des épines dendritiques via un mécanisme dépendent du cytosquelette d’actine. Le dérèglement de ces mécanismes pourrait être à l’origine du phénotype TSA. L’ensemble de ce travail met en évidence que Scrib1, protéine d’échafaudage clé dans le développement et la fonction du cerveau, joue une multitude de rôle du niveau subcellulaire au niveau cognitif. / The brain is made up of billions of nerve cells, or neurons. Neurons communicate with each other through functionally distinct structures - the axon and the dendrite - which are able to release and receive an electrical or chemical signal from a pre- to a post-synaptic compartment, respectively. We focused our study on hippocampal neurons synapses, which ultimately underlie high-order brain functions, such as learning and memory. In particular, we studied the development and maintenance of dendritic spines, whose changes in morphology are intimately correlated with synaptic plasticity, or the ability to respond to synaptic activity. Dendritic spines originate from motile dendritic filopodia, which mature into spines following axonal contact. The filopodia-to-spine transition involves a plethora of molecular actors, including glutamate receptors, scaffold proteins and the actin cytoskeleton, able to receive, transmit and integrate the pre-synaptic signal. The spatial and temporal coordination of all these molecular components throughout the formation and maturation of a synapse remains, however, unclear. Scribble1 (Scrib1) is planar cell polarity protein (PCP) classically implicated in the homeostasis of epithelial tissues and tumour growth. In the mammalian brain, Scrib1 is a critical scaffold protein in brain development and function. The main goal of this work was, therefore, to investigate the molecular mechanisms underlying Scrib1 role in synapse formation and maintenance. In a first part, we depict the importance of Scrib1 PDZ-dependent interactions on glutamate receptors trafficking as well as bidirectional plasticity signalling pathway underying spatial memory. In a second part, we focus on the functional consequences of a recently identified autism spectrum disorder (ASD) mutation of Scrib1 on neuronal morpholgy and function. We demonstrated that Scrib1 regulates dendritic arborization as well as spine formation and functional maintenance via an actin-dependent mechanism, whose disruption might underlie the ASD phenotype. Taken altogether, this thesis highlights the PCP protein Scrib1 as key scaffold protein in brain development and function, playing a plethora of roles from the subcelular to the cognitive level.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal