Les microtubules (MTs) sont importants pour des processus cellulaires majeurs comme la polarisation, le trafic membranaire, la division cellulaire ainsi que pour l'architecture intracellulaire. En retour, les organites influencent l'organisation et la dynamique des MTs. Mon projet de thèse vise à élucider les interactions fonctionnelles existantes entre les MTs et la sécrétion en adoptant une approche quantitative et systématique. En synchronisant le trafic de différents cargos grâce au système RUSH (Retention Using Selective Hooks) et à une dépolymérisation complète des MTs, nous avons montré que les MTs ne sont pas strictement nécessaires à la sécrétion des cargos. D'une manière générale nous avons observé que le trafic intracellulaire est ralenti mais toujours possible en présence d'un appareil de Golgi dispersé. Nous avons caractérisé deux populations d'éléments golgiens. Elles sont présentes peu après la dépolymérisation des MTs et sont différentes en terme de composition et de capacité de sécrétion. Nos résultats montrent qu'une maturation fonctionnelle des éléments golgiens est nécessaire pour le trafic post-golgien, basée sur l'acquisition de certains facteurs golgiens non identifiés à ce jour. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'exocytose au niveau de la membrane plasmique. Nous avons observé une sécrétion préférentielle des protéines à proximité des adhésions focales. Différentes techniques de biologie cellulaire nous ont permis de caractériser cet adressage préférentiel vers les sites d'adhésion de la cellule. Nous avons également corrélé les forces exercées par la cellule sur le substrat avec la direction du transport antérograde. / Microtubules (MTs) are important for major cellular processes like cell polarization, intracellular trafficking, cell division, intracellular architecture. Organelles influence back the MTs organization and dynamics. The goal of my project was to study the involvement of MTs in the intracellular trafficking. Thanks to the Retention Using Selective Hooks (RUSH) system to synchronize the trafficking of cargos and with an efficient way to depolymerize MTs, we showed that MTs were not strictly essential to secretion of cargos. More generally, we showed that intracellular trafficking is slowed down but still possible in the presence of a dispersed Golgi apparatus. Moreover, we characterized two populations of Golgi elements in cells without MTs that are different in terms of secretion ability and composition. Our results demonstrated that functional maturation of Golgi elements is needed to ensure post-Golgi trafficking and that MTs driven post-Golgi transport is not strictly required. Besides working on intracellular trafficking without MTs, we conducted a study on the exocytosis at the plasma membrane. By using an antibody coating on coverslips to immobilize secreted cargos, we visualized the first step of arrival at the plasma membrane. We observed a directed and polarized secretion close to focal adhesions that we characterized by different cell biology technics and microscopy (spinning disk, TIRF…). We highlighted a close relationship between forces exerted by the cell on its substrate and the directionality of the anterograde transport by using patterning and Traction Force Microscopy (TFM).

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

Le but de la conception d’un biomatériau est de mimer les modèles qui puissent être représentatifs de la matrice extracellulaire (MEC) existant in vivo. Cet objectif peut être atteint en associant une combinaison de cellules et des facteurs biologiques à un biomatériau sur lequel ces cellules peuvent se développer pour reconstruire le tissu natif. Dans cet étude, nous avons crée des surfaces bioactives nanostructurées en combinant la nanolithographie et la fonctionnalisation de surface, en greffant un peptide RGD ou BMP-2 (bone morphogenetic protein 2). Nous avons étudié l’effet de cette nanodistribution sur le comportement des cellules souches mésenchymateuses en analysant leur adhésion et différentiation. Nous notons que la nanodistribution des peptides induit une bioactivité qui a un impact sur l’organisation du cytosquelette, la conformation des fibres de stresse de l’actin, la maturation des adhésions focales (AFs), et le commitment des cellules souches. En particulier, l’aire, la distribution, et la conformation des AFs sont affectes par la présence des nanopatterns. En plus, le RGD et le BMP-2 changent le comportement cellulaire par des voies et des mécanismes différents en variant l’organisation des cellules souches et la maturation de leurs AFs. La nanodistribution influence de façon évidente les cellules souches en modifiant leur comportement (adhésion et différenciation) ce qui a contribué et ce qui contribuera à améliorer la compréhension des interactions des cellules avec la MEC. / The aim of biomaterials design is to create an artificial environment that mimics the in vivo extracellular matrix for optimized cell interactions. A precise synergy between the scaffolding material, bioactivity, and cell type must be maintained in an effective biomaterial. In this work, we present a technique of nanofabrication that creates chemically nanopatterned bioactive silicon surfaces for cell studies. Using nanoimprint lithography, RGD and mimetic BMP-2 peptides were covalently grafted onto silicon as nanodots of various dimensions, resulting in a nanodistribution of bioactivity. To study the effects of spatially distributed bioactivity on cell behavior, mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured on these chemically modified surfaces, and their adhesion and differentiation were studied. MSCs are used in regenerative medicine due to their multipotent properties, and well-controlled biomaterial surface chemistries can be used to influence their fate. We observe that peptide nanodots induce differences in MSC behavior in terms of cytoskeletal organization, actin stress fiber arrangement, focal adhesion (FA) maturation, and MSC commitment in comparison with homogeneous control surfaces. In particular, FA area, distribution, and conformation were highly affected by the presence of peptide nanopatterns. Additionally, RGD and mimetic BMP-2 peptides influenced cellular behavior through different mechanisms that resulted in changes in cell spreading and FA maturation. These findings have remarkable implications that contribute to the understanding of cell-extracellular matrix interactions for clinical biomaterials applications.

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

Les myopathies centro-nucléaires (CNM) sont un groupe de maladies musculaires sévères caractérisées par une faiblesse musculaire générale. La forme la plus sévère est la CNM liée à l’X (XLCNM), causée par des mutations de la Myotubularine (MTM1). D’autres formes autosomales existent et sont causées par des mutations de l’Amphiphysine2 (BIN1) et de la Dynamine2 (DNM2). Les mécanismes pathologiques menant aux CNMs restent à éclaircir et à ce jour aucune thérapie n’est disponible pour traiter les patients. Nous avons modulé les niveaux de protéines de MTM1, BIN1 et DNM2 dans des modèles murins de CNMs. Nous avons découvert que la sous-régulation de DNM2 sauvait le modèle murin de XLCNM et que la sur-expression de la protéine BIN1 humaine sauvait le modèle murin XLCNM ainsi que la forme autosomale causée par les mutations DNM2. Nous avons montré que MTM1 contrôlait l’adhésion cellulaire et le recyclage de l’intégrine dans les cellules musculaires. Nous avons observé que la sur-expression de BIN1 sauvait la dérégulation du recyclage de l’intégrine dans le modèle murin de XLCNM, ce qui suggère un lien fonctionnel entre BIN1 et MTM1 nécessaire pour l’adhésion focale au niveaux musculaire. Notre étude montre que MTM1, BIN1 et DNM2 participe à une voie de signalisation commune et que BIN1 et DNM2 représentent de nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement des CNM. / Centronuclear myopathies (CNM) are a group of severe muscle disorder characterized by general muscle weakness. The most severe form is the X-linked CNM (XLCNM), caused by mutations in Myotubularin (MTM1). Others autosomal forms are caused by mutations in Amphiphysin 2 (BIN1) and Dynamin 2 (DNM2). The CNM pathomechanisms are still unclear and to date there are no therapies available to the disease. To investigate the pathways dysregulated in CNM and to identify new therapeutic strategies, we modulated MTM1, BIN1 and DNM2 protein levels in the CNM mouse models. We discovered that DNM2 downregulation rescued the XLCNM mouse model and that the overexpression of human BIN1 rescued the XLCNM and the autosomal dominant CNM form due to DNM2 mutations. We have also showed that MTM1 controls cell adhesion and integrin recycling in mammalian skeletal muscle and BIN1 overexpression rescued the integrin recycling alteration in XLCNM mouse model suggesting that MTM1 and BIN1 are functionally linked and necessary for focal adhesions in muscle. Therefore, our studies highlight that MTM1, BIN1 and DNM2 are in a common pathway and, BIN1 and DNM2 could be new therapeutic targets to treat the different CNM forms.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué et le plus mortelle chez la femme, où sa progression vers le stade métastatique constitue une menace pour la vie des patientes. La présence de métastases représente le défi clinique central de l'oncologie des tumeurs solides, de sorte que les mécanismes et les voies sous-jacents au processus métastatique doivent être mieux définis. L'expression aberrante du récepteur tyrosine kinase (RTK) AXL a été liée cliniquement à la formation de métastases et à l'acquisition d'une résistance aux médicaments contre le cancer. AXL est un membre de la sous-famille des récepteurs tyrosine kinase TAM et intervient dans plusieurs processus biologiques tels que l'atténuation de la réponse immunitaire, l'élimination des cellules apoptotiques et la promotion de la survie cellulaire. L'expression d'AXL dans les tumeurs primaires humaines corrèle avec la faible survie des patients. Malgré sa régulation positive préférentielle dans les lignées cellulaires triple négatives / basales B, des études ont montré que l’expression d’AXL est indépendante du sous-type de la tumeur mammaire des patients. AXL peut être activé par son ligand GAS6 ou par d'autres RTK. Lors de son activation, AXL induit une signalisation en aval entraînant l'activation d'intermédiaires de signalisation canoniques, notamment MAPK, AKT et PI 3-kinases. Cependant, les voies de signalisation spécifiques engagées par AXL pour conférer un tel pouvoir pro-invasion ne sont pas connues. Ainsi, le but de cette thèse est d'identifier des substrats spécifiques d’AXL et des voies en aval qui jouent un rôle important dans le maintien d'un état « EMT » et d'un renforcement du phénotype mésenchymal dans les cellules cancéreuses. À la recherche de régulateurs en amont du complexe ELMO/DOCK1 impliqués dans l’activation de RAC, nous présentons au chapitre 2 les protéines d’échafaudage ELMO en tant que substrats directs et partenaires de liaison d’AXL. Grâce à des approches de protéomique et de mutagenèse, nous révélons que la kinase AXL phosphoryle ELMO1/2 sur un résidu tyrosine carboxy-terminal conservé. Dans les cellules cancéreuses du sein, l'activation d'AXL dépendante de GAS6 a conduit à la phosphorylation endogène d'ELMO2 sur Tyr-713, menant ainsi à la formation du complexe AXL/ELMO. En outre, l'activation de RAC induite par GAS6 dans les cellules cancéreuses du sein dépendait de l'expression d'ELMO2. Semblable au blocage d’AXL, l'inhibition d’ELMO2 ou l'inhibition pharmacologique de DOCK1 supprime l'invasion des cellules du cancer du sein, qui, selon nous, dépendait de l'état de phosphorylation d'ELMO. Notre travail au chapitre 2 définit un nouveau mécanisme par lequel AXL favorise la prolifération et l'invasion cellulaire et identifie l'inhibition de la voie ELMO/DOCK comme une cible thérapeutique potentielle pour arrêter les métastases induites par AXL. Bien qu'il soit encore difficile de savoir comment les signaux d’AXL induisent son phénotype pro-invasif, notre travail au Chapitre 3 vise à identifier des substrats et des voies de signalisation spécifiques qui sont significativement modulés lors de l'activation d'AXL. Pour y remédier, nous avons défini le phosphoprotéome de la régulation d’AXL dans des cellules cancéreuses du sein triple-négatives en utilisant une approche quantitative. Nous révélons qu’AXL module de manière robuste, parmi de nombreux processus et voies biologiques importants, la phosphorylation d'un réseau de protéines d'adhésion focale (FA) aboutissant à un désassemblage plus rapide des FA. De manière intéressante, nous avons trouvé que la modulation de la voie FA était unique à AXL par rapport à d'autres RTK tels que l'EGFR. En particulier, nous avons trouvé qu’AXL phosphoryle la protéine NEDD9, modulant la formation du complexe NEDD9/CRKII/DOCK3, qui orchestre la phosphorylation de la pseudo-kinase PEAK1 médiée par AXL. Nos données révèlent un mécanisme distinct par lequel les complexes PEAK1 avec la kinase CSK médient la phosphorylation de PXN et le renouvellement des FA induit par AXL. En utilisant l'injection orthotopique de cellules cancéreuses du sein dans le tissu adipeux mammaire des souris et dans la veine de la queue, nous révélons que l'inactivation de PEAK1 par CRISPR diminue la croissance tumorale et les métastases in vivo. De plus, notre travail au chapitre 3 révèle une contribution unique et inattendue de la signalisation d’AXL à la dynamique des FA, révélant un mécanisme longtemps recherché sous-tendant l'activité invasive d'AXL. Cette compréhension approfondie des réseaux de signalisation régulés par AXL identifie PEAK1 comme une nouvelle cible thérapeutique dans les tumeurs AXL positives. En conclusion, cette thèse a identifié, pour la première fois, le phosphoprotéome d’AXL et des voies de signalisation spécifique à AXL, pouvant justifier le rôle du récepteur en tant que promoteur de métastases et de résistance aux médicaments. Notre travail révèle de nouvelles cibles thérapeutiques qui pourraient avoir un grand potentiel si elles sont utilisées en thérapie combinatoire avec l’inhibition d’AXL pour prévenir la formation de métastases des tumeurs AXL positives. / Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer in women where its progression to the metastatic stage poses a threat to the life of patients. The metastatic disease represents the central clinical challenge of solid tumor oncology such that mechanisms and pathways underlying the metastatic process must be better defined. The aberrant expression of the receptor tyrosine kinase (RTK) AXL has been linked clinically to metastasis and acquisition of drug resistance. AXL is a member of the TAM subfamily and functions in several biological processes such as dampening the immune response, clearing apoptotic cells and promoting cell survival. Despite its preferential upregulation in triple negative/basal B cell lines, studies have shown AXL expression in the clinic to be subtype independent. AXL can be activated by its ligand GAS6 or by a crosstalk with other RTKs. Upon its activation, AXL induces downstream signaling resulting in the activation of canonical signaling intermediates including MAPKs, AKT and PI 3-kinases. However, the specific signaling pathways engaged by AXL to confer such enhanced pro-invasion power are not known and the goal of this thesis is to identify AXL-specific substrates and downstream pathways that are behind AXL’s significant role in maintaining an EMT state and reinforced mesenchymal phenotype in cancer cells. In search of upstream regulators of ELMO/DOCK1 complex involved in RAC activation, we reported ELMO scaffolds as direct substrates and binding partners of AXL. Through proteomics and mutagenesis approaches, we revealed phosphorylation of ELMO1/2 by AXL kinase on a conserved carboxyl-terminal tyrosine residue. In breast cancer cells, GAS6-dependent activation of AXL led to endogenous ELMO2 phosphorylation on Tyr-713 and AXL/ELMO complex formation. In addition, GAS6-induced RAC activation in breast cancer cells was dependent on ELMO2 expression and phosphorylation. Our work in chapter 2 defines a new mechanism by which AXL promotes cell proliferation and invasion and identifies inhibition of ELMO/DOCK pathway as a potential therapeutic target to stop AXL-induced metastases. While it still remains elusive how AXL signals to induce its pro-invasive phenotype, our work strove to identify specific substrates and signaling pathways that are significantly modulated upon AXL activation using a quantitative phosphoproteomics approach. By generating GAS6-induced AXL phosphoproteome, we found that AXL robustly modulates, among many different significant biological processes and pathways, the phosphorylation of a network of focal adhesion (FA) proteins culminating in faster FA disassembly. Interestingly, we found AXL modulation of FA pathway to be unique to AXL in comparison with other RTKs such as EGFR. NEDD9 FA protein was identified to be a direct substrate of AXL, where its phosphorylation modulates its complex formation with CRKII/DOCK3, and this subsequently orchestrates the AXL-mediated phosphorylation of the pseudo-kinase PEAK1. Our data revealed a distinct mechanism by which PEAK1 complexes with CSK kinase, mediating PXN phosphorylation and AXL-induced FA turnover. Using in vivo assays such as tail-vein metastasis assay and tumor growth assay, we revealed that gene inactivation of PEAK1 by CRISPR CAS9 decreased tumor growth and metastasis. Furthermore, our work in chapter 3 uncovers an unexpected and unique robust contribution of AXL signaling to FA dynamics revealing a long sought-after mechanism underlying AXL pro-invasive activity. This in-depth understanding of AXL regulated signaling networks identifies PEAK1 as a new therapeutic target in AXL positive tumors. In conclusion, this thesis identified, for the first time, AXL phosphoproteome and AXL specific downstream signaling pathways that may justify AXL’s role as a promoter of metastasis and drug resistance. Our work reveals novel therapeutic drug targets that may hold a great potential if used in combinational therapeutics with AXL inhibition to prevent metastasis of AXL positive tumors.

La migration cellulaire collective est essentielle aux processus physiologiques, tels que le dé-veloppement et la réparation des tissus, et aux conditions pathogènes, telles que les métas-tases cancéreuses. Les lésions métastatiques sont à l'origine de la majorité de la mortalité liée au cancer, ce qui incite à comprendre les mécanismes moléculaires régissant la migration collective du cancer et à explorer leur potentiel thérapeutique. Dans ce contexte, la kinase MAP4K4 est apparue comme une kinase pro-métastatique, associée à un mauvais pronostic pour les patients et reconnue pour réguler la migration des cellules cancéreuses. Cependant, son rôle dans la migration collective reste flou. Au cours des dernières années, le groupe de recherche du Dr Emery a dévoilé que Misshapen, l'orthologue drosophile de MAP4K4, est un régulateur central de la migration collective des cellules de bordure, soulevant la question de savoir si MAP4K4 coordonnerait la migration collective des cellules cancéreuses. Le but de cette thèse était d’évaluer la fonction de MAP4K4 dans la migration collective des cellules cancéreuses, incluant deux modes de migration différents : en grappe et en feuillets. En utilisant la lignée cellulaire A431, nous démontrons le rôle de MAP4K4 dans la régulation de la dynamique de protrusion, de rétraction et d’adhésion focale, favorisant la migration des grappes grâce à la régulation des forces de traction cellule-substrat. De plus, nous dévoi-lons un nouveau rôle de MAP4K4 dans l’adhésion cellule-cellule, en contrôlant la charge de tension et la stabilité, et en ajustant les contraintes intercellulaires. Notamment, lors de la migration des feuillets, les cellules A431 forment des structures en forme de doigts, avec une hiérarchie leader-suiveur. En caractérisant ces structures migratrices, nous avons identifié des structures d'actomyosine supracellulaires, ouvrant ainsi de nouvelles questions et voies d'investigation pour explorer les mécanismes de communication cellule-cellule. De plus, nous avons montré que MAP4K4 régule la formation des doigts et la densité des câbles supracellu-laires, nuisant à l'émergence de cellules leader et coordonnant la communication cellule-cellule. Dans l’ensemble, ces travaux soulignent le rôle central de MAP4K4 dans la régulation de la migration collective des cellules cancéreuses par l’adhésion focale et la modulation de la jonction cellule-cellule, ayant finalement un impact sur la génération et la transmission de la force cellulaire, coordonnant ainsi le mouvement collectif. En outre, nous discutons du po-tentiel de l’inhibition de MAP4K4 en tant que stratégie de traitement des métastases. / Collective cell migration is essential for both physiological processes, such as development and tissue repair, and pathogenic conditions, such as cancer metastasis. Metastatic lesions drive the majority of cancer-related mortality, urging the understanding of molecular me-chanisms governing collective cancer migration, and exploring their therapeutic potential. In this context, the kinase MAP4K4 has emerged as a pro-metastatic kinase, associated with poor patient prognosis and recognized for regulating cancer cell migration. However, its role in collective migration remains unclear. In the past years, Dr. Emery's research group unveiled that Misshapen, the MAP4K4 Drosophila orthologue, is a central regulator of border cell col-lective migration, raising the question whether MAP4K4 would coordinate the collective mi-gration of cancer cells. The purpose of this thesis was to assess the function of MAP4K4 in carcinoma cell’s collective migration, including two different migration modes : clusters and sheets. Using A431 cell line, we demonstrate MAP4K4’s role in regulating protrusion, retraction and focal adhesion dy-namics, promoting cluster migration through regulating cell-substrate traction forces. Furthermore, we unveil a new role of MAP4K4 at cell-cell adhesions, controlling tension loa-ding and stability, and tunning the intercellular stresses. Notably, during sheet migration, A431 cells form finger-like structures, with a leader-follower hierarchy. Performing the charac-terization of these migrating structures, we identified supracellular actomyosin structures, opening new questions and investigative pathways to explore cell-cell communication me-chanisms. Moreover, we showed that MAP4K4 regulates finger formation and the density of the supracellular cables, impairing the emergence of leader cells and coordinating cell-cell communication. Overall, this work underscores the central role of MAP4K4 in regulating collective cancer cell migration through focal adhesion and cell-cell junction modulation, ultimately impacting cell force generation and transmission, coordinating collective movement. Furthermore, we dis-cuss the potential of MAP4K4 inhibition as a strategy for metastasis therapy.