Le Phosphatidylinositol(4,5)P2 (PtdIns(4,5)P2) est essentiel pour réguler divers processus cellulaires, y compris la signalisation cellulaire, le trafic intracellulaire et la cytocinèse. Le contrôle strict de son homéostasie est donc crucial et la dérégulation des kinases, des phosphatases et des phospholipases qui la contrôlent conduit à de multiples pathologies. Parmi elles, le syndrome de Lowe est une maladie rare et incurable causée par des mutations du gène OCRL qui code pour la PtdIns(4,5)P2 phosphatase OCRL1. La déplétion de dOCRL, l’orthologue d’OCRL1 chez la drosophile altère l’homéostasie du PtdIns(4,5)P2 avec (i) une accumulation anormale de PtdIns(4,5)P2 sur les endomembranes conduisant (ii) à des défauts de cytocinèse et à de la multinucléation. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment le PtdIns(4,5)P2 est régulé sur les endomembranes. Dans les cellules de drosophile, nous avons découvert une fonction nouvelle et inattendue pour le suppresseur de tumeur PTEN, indépendante de son activité phosphatase. En effet, nous avons constaté que PTEN réduit les niveaux de PtdIns(4,5)P2 sur les endosomes grâce à l’action enzymatique de dPLCXD, une phospholipase C (PLC) atypique. Ainsi la voie de signalisation PTEN/dPLCXD peut compenser pour les défauts de cytocinèse dus à la perte de dOCRL. Enfin, nous avons identifié un activateur chimique des PLC qui restaure la perte fonctionnelle d’OCRL dans trois modèles de syndrome de Lowe distincts. Par la suite, nous avons étudié le rôle de la PTEN/PLCXD pendant l’autophagie, mécanisme d’autodigestion du matériel cellulaire. En effet, l’homéostasie du PtdIns(4,5)P2 lysosomale est essentielle pour l’étape autophagique de fusion des autophagosomes avec lysosomes. Nous avons observé que la déplétion de PLCXD et la surexpression d’un mutant catalytiquement inactif de PTEN altèrent l’autophagie chez les cellules de drosophile et de mammifère. Ces données suggèrent que la voie PTEN/PLCXD nouvellement identifiée régule le flux autophagique. Dans cette thèse, nous avons mis en lumière une nouvelle voie de signalisation PTEN/dPLCXD qui contrôle les niveaux de PtdIns(4,5)P2 sur les endolysosomes. Cette voie peut réguler l’autophagie et compenser la perte de dOCRL. Il s’agit d’une nouvelle fonction de PTEN indépendante de son activité phosphatase et c’est une première fonction biologique connue pour PLCXD. Cette découverte a conduit à l’identification d’une stratégie thérapeutique potentielle pour traiter les patients atteints du syndrome de Lowe. / Phosphatidylinositol(4,5)P2 (PtdIns(4,5)P2) is essential for various cellular processes, including cell signaling, intracellular traffic and cytokinesis. Therefore, strict control of its homeostasis is crucial. Indeed, the deregulation of the kinases, phosphatases and phospholipases which controls PtdIns(4,5)P2 leads to multiple pathologies. Among them, the Lowe syndrome is a rare and incurable disease caused by mutations in the OCRL gene which codes for PtdIns(4,5)P2 phosphatase OCRL1. Depletion of dOCRL, the orthologue of OCRL1 in drosophila, alters the homeostasis of PtdIns(4,5)P2 with (i) an abnormal accumulation of PtdIns(4,5)P2 on the endomembranes leading (ii) to cytokinesis defects and multinucleation. The objective of this thesis was to understand how PtdIns(4,5)P2 is regulated on endomembranes. In drosophila cells, we have discovered a new and unexpected function for the tumor suppressor PTEN independent of its phosphatase activity. Indeed, we have found that PTEN reduces the levels of PtdIns(4,5)P2 on endolysosomes thanks to the enzymatic action of dPLCXD, an atypical phospholipase C (PLC). Thus, the PTEN/dPLCXD signaling pathway can compensate for cytokinesis defects due to the loss of dOCRL. Finally, we identified a chemical activator of PLC that restores the functional loss of OCRL in three distinct Lowe syndrome models. Next, we studied the role of this newly identified PTEN/PLCXD pathway during autophagy, a self-digestion mechanism. Indeed, the homeostasis of lysosomal PtdIns(4,5)P2 is essential for the fusion of autophagosomes with lysosomes during autophagy. We have observed that depletion of PLCXD and overexpression of a catalytically inactive mutant of PTEN both alter autophagy in Drosophila and mammalian cells. These data suggest that this newly identified PTEN/PLCXD pathway regulates the autophagic flux. In this thesis, we have highlighted a new PTEN/dPLCXD signaling pathway which controls the levels of PtdIns(4,5)P2 on endolysosomes. This new PTEN function is independent of its phosphatase activity and the first biological function for PLCXD can regulate autophagy and compensate for the loss of dOCRL. This discovery led to the identification of a potential therapeutic strategy for treating patients with Lowe’s syndrome.

La sénescence cellulaire et l'apoptose ont évolué comme des puissantes barrières protectrices contre la transformation néoplasique. La sénescence est un état d'arrêt permanent de la prolifération dans lequel les cellules restent métaboliquement actives. La sénescence cellulaire est déclenchée par différentes sources de stress, notamment les oncogènes activés, le dysfonctionnement des télomères, les dommages à l'ADN et des défauts dans la réplication provoqués par des agents génotoxiques, des espèces réactives de l'oxygène, etc. Ce processus complexe engage deux voies différentes de suppresseurs de tumeurs, les voies p53/p21 et p16INK4a/pRb, et les deux voies doivent être compromises dans les cellules humaines afin de contourner la sénescence. Par conséquent, décrire la relation entre l'activation des oncogènes, l'arrêt de la prolifération induite par la sénescence et l'échappement à l'état de sénescence est essentiel pour comprendre le processus de tumorigenèse. KDM4A est un membre de la sous-famille KDM4 des Jumonji lysine déméthylases ciblant les variantes di- et triméthylées de l'histone H3 lysine 9 (H3K9) et l'histone H3 lysine 36 (H3K36). Les trois premiers membres de la sous-famille KDM4A, KDM4B et KDM4C sont également capables de lier l'histone 4 lysine 20 di-méthyl/tri-méthyl (H4K20me2/3) et l'histone 3 lysine 4 tri-méthyl (H3K4me3), via leurs domaines Tudor consécutifs. KDM4A module négativement l'activité de la voie p53, en ciblant directement le suppresseur de tumeur CHD5, et est également un régulateur négatif de la réponse aux dommages de l'ADN. Les niveaux d'expression de KDM4A sont souvent élevés dans les cellules cancéreuses et diminués pendant la sénescence cellulaire. La motivation principale de cette thèse est d'élargir nos connaissances actuelles sur la façon dont la réorganisation de la chromatine influence la stabilité du phénotype de sénescence. Dans la première partie de ce travail, nous abordons la fonction de méthylation de H4K20 et H3K9, dans le contexte des foyers d'hétérochromatine associés à la sénescence (SAHF: senescence-associated heterochromatin foci). Nous démontrons que l'intégration de H4K20me3 dans les SAHF dépend de l'incorporation précédente de H3K9me3 et révélons les méthyltransférases H4K20 impliquées dans ce processus. Nous proposons un mécanisme moléculaire par lequel H4K20me3 et H3K9me3 coopèrent avec p53 dans la répression stable des gènes cibles de E2F au cours de la sénescence induite par l'oncogène Ras. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons une voie de dégradation lysosomale (c'est-à-dire l'autophagie médiée par des chaperons) en tant que nouveau mécanisme potentiel par lequel les cellules modulent les niveaux de KDM4A pendant la sénescence. Nos résultats suggèrent que la méthylation dans les lysines des histones régule la stabilité de sénescence en réponse à l'oncogène Ras et révèlent le potentiel d'induction de la sénescence par inhibition ciblée de KDM4A dans le traitement du cancer. / Cellular senescence and apoptosis have evolved as potent protective barriers against neoplastic transformation. Senescence is a state of stable arrest of proliferation in which cells remain metabolically active. Cellular senescence is triggered by different sources of stress, including activated oncogenes, telomere dysfunction, DNA damage and replication defects elicited by genotoxic agents, reactive oxygen species, etc. This complex process engages two different tumor suppressor pathways, the p53/p21 and p16INK4a/pRb pathways that need to be compromised in human cells in order to circumvent the senescence-associated growth halt. Hence, describing the relationship between oncogene activation, senescence-induced proliferation arrest and escape from the senescence state remains essential to understand tumorigenesis. KDM4A is a member of the KDM4 sub-family of Jumonji lysine demethylases targeting di- and tri-methylated histone H3 lysine 9 (H3K9) and histone H3 lysine 36 (H3K36). The first three sub-family members KDM4A, KDM4B and KDM4C are also able to bind histone 4 lysine 20 di-methyl/tri-methyl (H4K20me2/3) and histone 3 lysine 4 tri-methyl (H3K4me3), via their tandem Tudor domain. KDM4A negatively modulates the activity of the p53 pathway, by directly targeting the tumor suppressor CHD5, and is also a negative regulator of the DNA damage response. KDM4A expression levels are often elevated in cancer cells and decreased during cellular senescence. The principal motivation for this thesis is to expand our current knowledge on how chromatin reorganization influences the stability of the senescence phenotype. In the first part of this work we address the function of H4K20 and H3K9 methylation, in the context of the senescence-associated heterochromatin foci (SAHF). We demonstrate that integration of H4K20me3 into the SAHF depends on the previous incorporation of H3K9me3 and reveal the H4K20 methyltransferases involved in this process. We propose a molecular mechanism by which H4K20me3 and H3K9me3 cooperate with p53 in the stable repression of E2F target genes during oncogenic Ras-induced senescence. In the second part of the thesis we present a lysosomal-degradation pathway (i.e. chaperone-mediated autophagy) as a novel potential mechanism by which cells modulate KDM4A protein levels during senescence. Our results strongly suggest that histone lysine methylation contributes to the stability of the senescence response to the Ras oncogene and reveal the potential of senescence induction by targeted inhibition of KDM4A in the treatment of cancer.

Es wird vermutet, dass das Zusammenspiel von NF-κB-Signalen und Autophagie die Entzündung in verschiedenen zellulären Kontexten und als Reaktion auf unterschiedliche Stimuli reguliert. Der molekulare Mechanismus, durch den diese beiden Signalwege bei der Regulierung der Entzündungsreaktion zusammenwirken, ist jedoch noch nicht bekannt. Mithilfe biochemischer Analysen und bildgebender Verfahren haben wir zum ersten Mal die Interaktion zwischen dem autophagischen Marker LC3 und der NF-κB/p65-Untereinheit als Reaktion auf verschiedene Stressbedingungen charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass die Anhäufung von LC3 im Zellkern nach der NF-κB-Aktivierung mit p65 interagiert, was durch die Ubiquitinierung des p65-Proteins gefördert und durch den Cargo-Rezeptor p62 erkannt wird. Zusammengenommen weisen diese Daten auf eine neue Rolle von p62 beim Transport von im Kern ubiquitiniertem p65 zu Autophagosomen hin, wo es abgebaut wird, um die entzündungsbedingte NF-κB-Hyperaktivierung zu kontrollieren. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien gegen Krankheiten, die mit einer gestörten Autophagie und einer konstitutiven NF-κB-Aktivität einhergehen. Die NF-κB-Signalübertragung spielt nicht nur eine entscheidende Rolle bei Entzündungen und der Tumorbildung, sondern ist auch für Entwicklungsprozesse wichtig. Durch die Etablierung von 3D-Organoid-Kulturen aus dem Dünndarm und unter Verwendung verschiedener Mauslinien weisen wir im zweiten Teil der Arbeit nach, dass NF-κB eine wichtige Funktion bei der Zelldifferenzierung und der Erhaltung von Stammzellen in vivo und ex-vivo spielt. Wir konnten zeigen, dass die Proliferation und das Absterben von Darmepithelzellen (IEC) bei Mäusen mit ubiquitärer Unterdrückung der NF-κB-Aktivität unverändert sind, während die Zahl der Becherzellen auf Kosten der Paneth-Zellen zunimmt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse eine neue IEC-immanente Rolle von NF-κB bei Entscheidungen über das Zellschicksal und die Differenzierung aufzeigen, die über die Regulierung der Wnt-Signale und der Sox9-Expression stromabwärts von NF-κB erfolgt. Die hier beschriebenen Erkenntnisse verbessern unser Verständnis der NF-κB-Funktionen in der Stammzellbiologie, die, wenn sie dereguliert sind, auch Auswirkungen auf die Entzündung des Darms und die Tumorentstehung haben. / The interplay between NF-κB signaling and autophagy has been suggested to regulate inflammation in different cellular contexts and in response to different stimuli. However, the molecular mechanism by which these two pathways interact to regulate the inflammatory response remains elusive. By using biochemical analysis and imaging techniques, we characterized for the first time the interaction of autophagic marker LC3 and NF-κB/p65 subunit in response to different stress conditions. We demonstrated that the accumulation of LC3 within the nucleus interacts with p65 following NF-κB activation, which is promoted by ubiquitination of p65 protein and recognized by the cargo receptor p62. Together, these data identify a novel role for p62 in trafficking nuclear-ubiquitinated p65 to autophagosomes for degradation to control inflammation-driven NF-κB hyperactivation. These findings are important for developing novel therapeutic strategies against diseases involving defective autophagy and constitutive NF-κB activity. In addition to its critical role in inflammation and tumor formation, NF-κB signaling is essential in developmental processes. Establishing 3D organoid culture from the small intestine and using different mouse lines, we prove in the second part of the thesis that NF-kB plays an important function in cell differentiation and stem cell maintenance in vivo and in ex-vivo. We demonstrated that while intestinal epithelial cell (IEC) proliferation and death are unaltered in mice with ubiquitous suppression of NF-κB activity, goblet cell numbers increase at the expense of Paneth cells. In summary, our results revealed a novel IEC-intrinsic role of NF-κB in cell fate decisions and differentiation which occur via regulation of Wnt signaling and Sox9 expression downstream of NF-κB. The findings described here improve our understanding of NF-κB functions in stem cell biology which, when deregulated, also have an impact on intestinal inflammation and tumorigenesis.

Introduction : Le virus respiratoire syncytial (RSV) est associé à des taux élevés de morbidité et de mortalité non seulement chez les jeunes enfants, en particulier les nourrissons et ceux atteints de cardiomyopathie congénitale, mais aussi chez les personnes de tous âges immunodéprimées et chez les personnes âgées. Les options thérapeutiques actuelles se limitent à une prophylaxie par anticorps monoclonaux réservée aux nourrissons à haut risque de maladie grave associée au RSV. Le développement de nouveaux antiviraux est donc urgent. Les antiviraux ciblant les protéines de l'hôte constituent une alternative émergente aux antiviraux classiques ciblant les protéines virales qui présentent des risques de développement de résistances. L'autophagie est un mécanisme cellulaire qui peut favoriser ou limiter la réplication virale. Nos travaux en cours suggèrent que l'autophagie dans les cellules épithéliales des voies respiratoires humaines (AECs) offre une protection antivirale contre RSV. Objectif : L'objectif de cette étude est d'évaluer la capacité de divers molécules induisant l'autophagie (AID) approuvés par la FDA à inhiber la réplication du RSV dans les AECs. Méthodes : Afin de quantifier l'induction de l'autophagie, la réplication du RSV et la viabilité cellulaire à l'aide d'un système d'imagerie à haut-débit, nous avons développé un essai utilisant des cellules A549, une lignée cellulaire modèle de cellules épithéliales respiratoires, la protéine LC3-RFP comme marqueur d’autophagie, un virus RSV recombinant exprimant la protéine GFP, et un marquage avec le SYTOX-Orange et le DAPI pour évaluer la viabilité cellulaire. Résultats et discussion : En utilisant la Torin-1, un AID caractérisé qui agit de manière mTOR -dépendante, nous avons confirmé que notre essai permet de mesurer l’induction de l’autophagie. De plus, nous avons constaté que la Torin-1 diminue significativement la réplication du RSV-GFP de manière dose-dépendante. Conclusion : En résumé, notre étude a permis de mettre en place un système expérimental à haut débit pour la caractérisation de l’effet des AIDs sur l’autophagie et leur impact sur la réplication du RSV. Nos résultats permettent de montrer que l’induction de l’autophagie corrèle avec la diminution de la réplication de RSV. Ces données devront être complétées par l’utilisation d’autres AIDs pour identifier des molécules approuvées par la FDA qui présentent une activité anti-RSV in vitro. / Introduction: Respiratory syncytial virus (RSV) is associated with high rates of morbidity and mortality not only in young children, particularly infants and those with congenital cardiomyopathy, but also in immunocompromised people of all ages and in the elderly. Current treatment options are limited to monoclonal antibody prophylaxis reserved for infants at high risk of serious illness associated with RSV. The development of new antivirals is therefore urgent. Antivirals targeting host proteins are an emerging alternative to conventional antivirals targeting viral proteins that pose risks of resistance development. Autophagy is a cellular mechanism that can promote or limit viral replication. Our ongoing work suggests that autophagy in human airway epithelial cells (AECs) provides antiviral protection against RSV. Objective: The objective of this study is to evaluate the ability of various FDA-approved autophagy-inducing molecules (AIDs) to inhibit RSV replication in AECs. Methods: In order to quantify autophagy induction, RSV replication and cell viability using a high-throughput imaging system, we developed an assay using A549 cells, a cell line model of respiratory epithelial cells, the LC3-RFP protein as an autophagy marker, a recombinant RSV virus expressing the GFP protein, and labeling with SYTOX-Orange and DAPI to assess cell viability. Results and discussion: Using Torin-1, a characterized AID that acts in an mTOR-dependent manner, we confirmed that our assay can measure the induction of autophagy. Furthermore, we found that Torin-1 significantly decreases RSV-GFP replication in a dose-dependent manner. Conclusion: In summary, our study allowed to set up a high-throughput experimental system for the characterization of the effect of AIDs on autophagy and their impact on RSV replication. Our results show that the induction of autophagy correlates with the decrease in RSV replication. These data should be supplemented by the use of other AIDs to identify FDA-approved molecules that exhibit anti-RSV activity in vitro.

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L’autophagie est un processus cellulaire catabolique qui a été conservé durant l’évolution de la levure à l’homme. Cet important mécanisme consiste en une dégradation des composants cytoplasmiques dans une structure lytique, le lysosome. Il existe trois types de l’autophagie : la microautophagie, l’autophagie médiée par les chaperones et la macroautophagie nommée « autophagie ». Il a été démontré que lors de l’autophagie, le matériel cytoplasmique (protéines cytosoliques et organites) est séquestré dans l’autophagosome qui finit par fusionner avec le lysosome, formant ainsi l’autophagolysosome. Le matériel séquestré et la membrane interne de l’autophagosome seront dégradés par les hydrolases lysosomales. Plusieurs études se sont focalisées sur la détermination de la machinerie moléculaire et les mécanismes de l’autophagie. Il a été démontré l’implication de 31 molécules Atg essentielles dans le processus de l’autophagie. L’identification de ces protéines a permis de déceler le rôle de l’autophagie non seulement dans le maintien de l’homéostasie cellulaire mais aussi dans la défense contre les agents pathogènes. En effet, l’autophagie joue un rôle important dans l’immunité innée conduisant à contrôler l’évasion des pathogènes dont les bactéries et les virus. Également, l’autophagie est impliquée dans l’immunité adaptative en favorisant la présentation des antigènes viraux par le CMH de classe II aux cellules T CD4+. De plus, une étude récente suggère que l’autophagie contribue à la présentation antigénique par le CMH de classe I aux cellules T CD8+ durant une infection virale par le virus HSV-1 (Herpes simplex type 1). Toutefois, certains virus y compris HSV-1 ont pu développer des mécanismes pour contourner et inhiber en partie le rôle protecteur de l’autophagie. Récemment, une étude dans notre laboratoire a mis en évidence, lors d’une infection virale par HSV-1 des cellules macrophages BMA, la présence d’une nouvelle structure autophagique dans une phase tardive de l’infection. Cette nouvelle structure est différente des autophagosomes classiques à double membrane et est caractérisée morphologiquement par quatre membranes dérivées de l’enveloppe nucléaire interne et externe. Peu de choses ont été rapportées sur cette nouvelle voie autophagique qui peut être un mécanisme de défense cellulaire quand l’autophagie classique dans le cytosol est inhibée par HSV-1. Il devient donc intéressant de caractériser les molécules impliquées dans la formation de ces autophagosomes issus du noyau par spectrométrie de masse. Pour ce faire, il était impératif d’établir un outil d’isolation des noyaux à partir de macrophages infectés par HSV-1 dans lesquels les autophagosomes issus des noyaux seront formés. La validation de cette méthode d’isolation a été effectuée en déterminant la pureté et l’intégrité des noyaux isolés à partir des cellules non infectées (contrôle) et infectées par HSV-1. La pureté des préparations de noyaux isolés a été caractérisée par l’absence de contaminants cellulaires et un enrichissement en noyaux. Également, il a fallu déterminer la cinétique de formation des autophagosomes issus des noyaux pour les deux lignées cellulaires de macrophages utilisées dans ce projet. Dans une perspective future, l’analyse protéomique à partir des échantillons purs des noyaux isolés (non infectés et infectés) mènera à identifier les protéines impliquées dans la formation des autophagosomes dérivés des noyaux, ce qui permettra ultérieurement d’effectuer des études sur les mécanismes moléculaires et les fonctions de cette nouvelle voie autophagique. / Autophagy is a catabolic cellular process that has been conserved during evolution from yeast to humans. More specifically, it consists of the degradation of cytoplasmic components within a lytic structure, the lysosome. There are at least three distinct types of autophagy; microautophagy, chaperone-mediated-autophagy, and macroautophagy wich often referred to simply as “autophagy” in the literature. It has been shown that during this type of autophagy, cytoplasmic material (cytosolic proteins and organites) are sequestrated in autophagosomes which fuse with lysosomes, forming autophagolysosomes where the sequestered material and the internal membrane of the autophagosomes are degraded by lysosomal hydrolases. Many studies have focused on understanding the molecular machinery and mechanism of autophagy. It has been shown that 31 autophagy proteins (Atg) are implicated and essential in the autophagic process. More importantly, the identification of these proteins has permitted the discovery of the role of autophagy not only in the maintenance of cellular homeostasis but also in host defense against pathogenic agents. Autophagy plays an important role in innate immunity by clearing and destroying intracellular pathogens like bacteria and viruses. Autophagy is also implicated in adaptive immunity, by promoting the presentation of viral antigens on CMH class II molecules to CD4+ T cells. A recent study has shown that autophagy also contributes to antigen presentation on CMH class I molecules to CD8+ T cells during infection with Herpes simplex virus type 1 (HSV-1). Certain viruses including herpes viruses have developed mechanisms to inhibit autophagy. Interestingly, a recent study in our lab revealed the presence of a new autophagic structure that occured during the late phase of viral infection of BMA macrophages with HSV-1. These structures are different from the classic double membrane autophagosomes, and are morphologically characterized by four membranes emerging from the inner and outer nuclear envelope. Very little was known about this novel nuclear-membrane autophagy pathway, which might function as a cellular defense mechanism when classic autophagy in the cytosol is inhibited by the virus. It is therefore of great interest to characterize the proteins involved in the formation of these autophagosomes from the nucleus by mass spectrometry. In order to do so, it was imperative to establish a protocol for the isolation of nuclei from HSV-1 infected macrophages which carry nuclear autophagosomes on their envelope. The validation of this isolation method was carried out by determining the purity of isolated nuclei in uninfected (mock) and infected macrophages. The purity of isolated nuclei was characterized by the absence of cellular contaminants derived from other cellular organites and enrichment in nuclei. Moreover, the kinetic of autophagosome formation on the nuclei during infection had to be determined for the two macrophage cell lines used during this project. As a future perspective, a proteomic analysis of pure samples of isolated nuclei (uninfected and infected) should identify proteins implicated in the formation of autophagosomes derived from the nuclei, and thus allow further studies of the molecular mechanism and functions of this novel autophagy pathway.

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée. / Autophagy is a highly conserved lysosomal-mediated protein degradation pathway that plays a crucial role in maintaining cellular homeostasis and contributes to antigen processing and presentation. The emerging roles of autophagy in both innate and adaptive immunity underpin novel immunological paradigms that may provide opportunities for the development of new therapies where impaired autophagy is associated with autoimmune diseases. However, the in vivo study of autophagic response is challenging in view of the limited number of analytical approaches that can provide a dynamic definition of the key proteins involved in this pathway. Accordingly, we developed an integrated proteomics research program to unravel the molecular machines associated with autophagy and to decipher the fine details of the molecular mechanisms governing the functions of the autophagosome in antigen presentation using a systems biology approach. To study how autophagy and antigen presentation are actively modulated in macrophages, we first conducted comprehensive, global proteomics studies under different conditions known to stimulate autophagy. Autophagy is modulated by cytokines as well as by viral infection in various ways. TNF-alpha is one of the major proinflammatory cytokines that mediate local and systemic responses and direct the development of adaptive immunity. Label-free quantitative proteomics analysis of membrane extracts from TNF-alpha activated and resting macrophages revealed that TNF-alpha activation led to the downregulation of mitochondrial proteins and the differential regulation of several proteins involved in vesicle trafficking and immune response. Importantly, we found that the downregulation of mitochondria proteins occurred through Atg5-dependent mitophagy, and was specific to TNF-alpha. Furthermore, using a novel antigen presentation system, we observed that the induction of mitophagy by TNF-alpha enabled the processing and presentation of mitochondrial antigens at the cell surface by MHC class I molecules, suggesting that TNF-alpha induced mitophagy contributes to the modification of the MHC class I peptide repertoire. These findings highlight an unsuspected role of TNF-alpha in mitophagy and expanded our understanding of the mechanisms responsible for MHC class I presentation of self-antigens. A complex interplay also exists between viral infection and autophagy. Recently, our lab provided the first evidence that macroautophagy can contribute to the presentation of viral proteins on MHC class I molecules during Herpes Simplex Virus type 1 (HSV1) infection. HSV1 are among the most complex and widespread human viruses. While the composition of viral particles has been studied, less is known about the expression of the whole viral proteome in infected cells. To comprehensively characterize the system, we analyzed the proteome of the prototypical HSV1 in infected macrophages by LC-MS/MS. We achieved a very high level of protein coverage and identified a total of 67 structural and non-structural viral proteins (82% of the HSV1 proteome) using LC-MS/MS on a LTQ-Orbitrap instrument. We also obtained a comprehensive map of 90 novel phosphorylation sites and ten novel ubiquitylation sites on different viral proteins. Interestingly all ubiquitylated proteins could either localize to the nucleus or participate in membrane fusion events, suggesting that ubiquitylation of viral proteins might affect their trafficking. Treatment with inhibitors of DNA replication induced changes of both viral protein abundance and modifications, highlighting the interdependence of viral proteins during the life cycle of the virus. Given the importance of expression dynamics, ubiquitylation and phosphorylation for protein function, these findings will serve as important tools for future studies on herpes virus biology. Interestingly, HSV1 infection in macrophages triggers a novel form of autophagy which remarkably differs in many ways from macroautophagy. This process, referred to as nuclear envelope-derived autophagy (NEDA), leads to the formation of 4-membrane layered vesicles originating from the nuclear envelope where some viral protein such as glycoprotein B are highly enriched. To which extent this process differs from macroautophagy and participates in the pathogenesis of HSV infection is still largely unknown. Using a novel antigen presentation assay we could show that NEDA is an Atg5-independent pathway that participates in the capture of viral proteins, and their processing and presentation on MHC class I molecules. To understand the involvement of NEDA in antigen presentation it is crucial to characterize the autophagosomal proteome in HSV1 infected macrophages. We developed a novel isolation method based on the loading of the lysosomal compartment with latex beads, a unique tool to obtain very pure cell extracts, upon autophagy induction. The transfer of HSV1 antigens into autophagosomes was monitored using quantitative proteomics. Nuclear enveloped-derived proteins were preferentially transferred to the autophagosome during HSV1 infection. Detailed proteomics characterization of autophagosomes formed during NEDA and macroautophagy led to the discovery of mechanisms that play a key role in glycoprotein B immunodominance during HSV1 infection. These analyses also revealed that various autophagic pathways can be induced to promote the capture of selective sets of viral proteins, thus actively shaping the nature of the immune response during infection. In conclusion, the application of quantitative proteomics methods played a key role in identifying and quantifying important regulators of autophagy in macrophages and allowed us to identify changes occurring during the remodeling of autophagosomes in response to disease and inflammatory conditions such as viral infections. Furthermore, our systems biology approach that combined mass spectrometry-based quantitative proteomics with functional screens such as antigen presentation assays revealed novel biological insights on the molecular mechanisms governing the functions of autophagy in antigen presentation. Harnessing the contribution of autophagy in antigen presentation has the potential to minimize the deleterious effects of immunodominance in viral infection and cancer by shaping an appropriate immune response.

Le contrôle immunitaire des infections virales est effectué, en grande partie, par les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Pour y parvenir, les lymphocytes T CD8+ doivent être en mesure de reconnaître les cellules infectées et de les éliminer. Cette reconnaissance des cellules infectées s’effectue par l’interaction du récepteur T (TCR) des lymphocytes T CD8+ et des peptides viraux associés au complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe I à la surface des cellules hôtes. Cette interaction constitue l’élément déclencheur permettant l’élimination de la cellule infectée. On comprend donc toute l’importance des mécanismes cellulaires menant à la génération des peptides antigéniques à partir des protéines virales produites au cours d’une infection. La vision traditionnelle de cet apprêtement protéique menant à la présentation d’antigènes par les molécules du CMH propose deux voies cataboliques distinctes. En effet, il est largement admis que les antigènes endogènes sont apprêtés par la voie dite ‘‘classique’’ de présentation antigénique par les CMH de classe I. Cette voie implique la dégradation des antigènes intracellulaires par le protéasome dans le cytoplasme, le transport des peptides résultant de cette dégradation à l’intérieur du réticulum endoplasmique, leur chargement sur les molécules du CMH de classe I et finalement le transport des complexes peptide-CMH à la surface de la cellule où ils pourront activer les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde voie impliquant des antigènes exogènes, le dogme veut que ceux-ci soient apprêtés par les protéases du compartiment endovacuolaire. Les peptides ainsi générés sont directement chargés sur les molécules de CMH de classe II à l’intérieur de ce compartiment. Par la suite, des mécanismes de recyclage vésiculaire assurent le transport des complexes peptide-CMH de classe II à la surface de la cellule afin de stimuler les lymphocytes T CD4+. Cependant, cette stricte ségrégation des voies d’apprêtement antigénique a été durement éprouvée par la capacité des cellules présentatrices d’antigènes à effectuer l’apprêtement d’antigènes exogènes et permettre leur présentation sur des molécules de CMH de classe I. De plus, l’identification récente de peptides d’origine intracellulaire associés à des molécules de CMH de classe II a clairement indiqué la présence d’interactions entre les deux voies d’apprêtement antigénique permettant de transgresser le dogme préalablement établi. L’objectif du travail présenté ici était de caractériser les voies d’apprêtement antigénique menant à la présentation d’antigènes viraux par les molécules du CMH de classe I lors d’une infection par le virus de l’Herpès simplex de type I (HSV-1). Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons une nouvelle voie d’apprêtement antigénique résultant de la formation d’autophagosomes dans les cellules infectées. Cette nouvelle voie permet le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire dégradatif dans la phase tardive de l’infection par le virus HSV-1. Cette mise en branle d’une seconde voie d’apprêtement antigénique permet d’augmenter le niveau de présentation de la glycoprotéine B (gB) virale utilisée comme modèle dans cette étude. De plus, nos résultats décrivent la formation d’une nouvelle forme d’autophagosomes dérivés de l’enveloppe nucléaire en réponse à l’infection par le virus HSV-1. Ces nouveaux autophagosomes permettent le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire lytique, action également assurée par les autophagosomes dits classiques. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous utilisons l’infection par le virus HSV-1 et la production de la gB qui en résulte pour étudier le trafic membranaire permettant le transfert de la gB vers un compartiment vacuolaire dégradatif. Nos résultats mettent en valeur l’importance du réticulum endoplasmique, et des compartiments autophagiques qui en dérivent, dans ces mécanismes de transfert antigénique permettant d’amplifier la présentation antigénique de la protéine virale gB sur des CMH de classe I via une voie vacuolaire. L’ensemble de nos résultats démontrent également une étroite collaboration entre la voie classique de présentation antigénique par les CMH de classe I et la voie vacuolaire soulignant, encore une fois, la présence d’interaction entre les deux voies. / Immune control of viral infections is mainly carried out by cytotoxic CD8+ T lymphocytes. To achieve this, CD8+ T lymphocytes must be able to recognize infected cells and eliminate them. This recognition of infected cells occurs by the interaction of the T cell receptor (TCR) of CD8+ T lymphocytes and viral peptides associated with major histocompatibility complex (MHC) class I on the surface of host cells. This interaction is the key element triggering the elimination of infected cells. This emphasizes the major role of cellular mechanisms leading to the generation of antigenic peptides from viral proteins. The traditional view of antigen presentation by MHC molecules proposes two segregated pathways. Indeed, it is widely accepted that endogenous antigens are processed by the ''classical'' MHC class I presentation pathway. This pathway involves the degradation of intracellular antigens by the proteasome complex in the cytoplasm of the cell, the resulting peptides are then translocated in the endoplasmic reticulum where they are loaded on MHC class I molecules, and finally peptide-MHC complex are exported at the cell surface to activate CD8+ T lymphocytes. In contrast, exogenous antigens internalized by endocytosis or phagocytosis are processed by hydrolases in the lytic endovacuolar compartment and the resulting peptides are loaded on MHC class II molecules. Thereafter, vesicle recycling mechanisms transport the peptide-MHC class II complex on the cell surface where they can stimulate CD4+ T lymphocytes. However, the strict segregation of these two pathways has been revisited to account for the ability of antigen presenting cells to present exogenous antigens on MHC class I molecules by a process called cross-presentation. Moreover, the recent finding that intracellular peptides might also be presented by MHC class II molecules clearly emphasized the presence of interactions between these two antigen processing pathways that transgress the previously established dogma. The objective of the work presented here was to characterize the antigen processing pathways leading to antigen MHC class I presentation during herpes simplex type I (HSV-1) infection. In the results reported here, we describe a new antigen processing pathway resulting from the formation of autophagosomes in HSV-1 infected cells. This new pathway allows the transfer of viral antigens in a lytic vacuolar compartment during the late phase of infection. The development and activation of this second pathway of antigen processing leads to an increased MHC class I presentation of the viral glycoprotein B (gB) used as a model in this study. Moreover, our results describe the establishment of a new form of autophagosomes derived from the nuclear envelope in response to HSV-1 infection. This new form of autophagosomes also contributes to viral antigen transfer to lytic vacuolar compartment in parallel to the action of classical autophagy. Our results also show a close collaboration between the classical MHC class I presentation pathway and vacuolar pathway induced by the formation of autophagosomes, still reinforcing the idea that these two pathways interact together to ensure optimal antigens processing during viral infection. In the second part of the work presented here, we use HSV-1 infection and the resulting viral glycoprotein B to study membrane trafficking allowing the transfer of gB to degradative vacuolar compartments. Our results highlight the role of the endoplasmic reticulum in antigen transfer mechanisms that induce an amplified MHC class I presentation of the viral glycoprotein B.

Les cellules myéloïdes incluant les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques (DCs, dendritic cells) contribuent à la pathogénèse de l’infection à VIH-1 en participant à la dissémination du virus, mais également en représentant des réservoirs viraux potentiels. Leurs fonctions sont exploitées par le VIH-1 afin d’assurer sa propagation à travers l’organisme. Notamment, une infection à VIH-1 est associée à une altération de la présentation antigénique et la perte de lymphocytes T CD4+ spécifiques à des antigènes. L’autophagie est un processus catabolique universel impliqué dans la régulation de la présentation antigénique subséquente à la neutralisation/destruction du pathogène. Des études récentes suggèrent que le VIH-1 altère le mécanisme d’autophagie afin d’assurer sa survie. Le premier volet de ce projet de maîtrise a visé la caractérisation des effets du VIH-1 sur l’autophagie dans les DCs dérivées de monocytes circulants (MDDC, monocyte-derived dendritic cells) et l’identification des stratégies thérapeutiques pour contrecarrer ces effets. Les objectifs spécifiques ont été de : (i) caractériser l’expression de marqueurs de maturation sur des MDDC exposées au VIH-1 in vitro, (ii) quantifier l’expression des protéines liées à la régulation positive (i.e., ATG5, LC3, p62) et négative (i.e., mTOR) de l’autophagie dans les MDDC exposées au VIH, (iii) déterminer le rôle de l’autophagie dans la trans infection du VIH-1 aux lymphocytes T CD4+ et (iv) explorer l’impact de l’autophagie sur la présentation antigénique par les MDDC infectées à VIH-1 in vitro. Nos résultats démontrent qu’une exposition des MDDC au VIH-1 in vitro altère dramatiquement leur maturation et leur habileté à induire la prolifération des cellules T autologues en réponse à Staphylococcus aureus et Cytomegalovirus (CMV) mais pas la réponse induite par Staphylococcal enterotoxin B (SEB). Nous démontrons que l’exposition des MDDC au VIH s’associe à une augmentation de l’expression de la protéine mTOR totale et de sa forme phosphorylée (phospho-mTOR) et de la protéine p62. Le traitement des MDDC à la rapamycine diminue l’expression de mTOR et réduit la capacité de trans infection du VIH-1 par les MDDC, sans toutefois restaurer leur potentiel immunogène. En effet, nous observons que la rapamycine réduit l’expression de CD83 par les MDDC et augmente l’expression de CCR7, indiquant ainsi que l’effet immunosuppresseur documenté de la rapamycine est associé à une défaillance de maturation des MDDC. Le second volet de ce projet de recherche s’est intéressé à la contribution des cellules myéloïdes à la persistance virale chez les sujets infectés par le VIH-1 sous thérapie antirétrovirale. Les objectifs spécifiques ont été : (i) d’évaluer la présence de différentes formes d’ADN viral dans les monocytes circulants de patients infectés par le VIH-1 et (ii) de mesurer l’intégration et la réplication virale dans des macrophages dérivés de monocytes (MDM) de patients infectés sous ART. Nos résultats indiquent que les monocytes portent des formes précoces de transcription virale inverse (ADN du VIH RU5) et que, malgré une charge virale plasmatique indétectable sous ART, les MDM supportent la réplication virale. Ces données très préliminaires apportent des évidences en faveur de la contribution des cellules myéloïdes à la persistance virale sous ART et représentent une ouverture pour un projet de recherche plus complexe dans le futur. En somme, nos résultats démontrent que le VIH-1 altère le potentiel immunogène des MDDC et que la rapamycine peut être employée pour limiter la trans infection des lymphocytes T CD4+ par les MDDC. Néanmoins, l’incapacité de la rapamycine à rétablir le potentiel immunogène des MDDC incite à identifier de nouvelles stratégies manipulant l’autophagie pour une restauration optimale de la compétence immunitaire chez les sujets infectés à VIH-1. Les cellules myéloïdes jouent un rôle primordial dans la dissémination et la persistance virale et doivent donc être ciblées par les stratégies actuelles d’éradication des réservoirs du VIH sous ART. / Myeloid cells including monocytes, macrophages and dendritic cells (DC) contribute to HIV-1 pathogenesis by participating in viral dissemination but also by representing potential viral reservoirs. Myeloid cells functions are exploited by HIV in order for the virus to spread throughout the organism. Notably, HIV-1 infection is associated with alterations in antigen presentation and the loss of pathogen-specific CD4+ T-cells. Autophagy is a universal catabolic process involved in the regulation of antigen presentation subsequent to pathogen neutralization/destruction. Recent studies suggest that HIV inhibits autophagy in DC so that it survives within the host. The goal of the main part of this master’s research project was to characterize the effects of the HIV exposure on the autophagy process in monocytes-derived DC (MDDC) and to identify therapeutic strategies to counteract these effects. The specific aims were to : (i) measure the expression of maturation markers on MDDC exposed to HIV-1 in vitro (ii) quantify the expression of proteins that positively (i.e., ATG5, LC3, p62) or negatively regulate autophagy (i.e., mTOR), (iii) determine autophagy role in HIV-1 trans infection to CD4+ lymphocytes T and (iv) explore the impact of autophagy on antigen presentation by in vitro HIV-infected MDDC. Our results demonstrated that exposure to HIV in vitro dramatically impaired MDDC maturation and their ability to induce proliferation of autologous CD4+ T-cells in response to Staphylococcus aureus and Cytomegalovirus (CMV) but not Staphylococcal enterotoxin B (SEB). Exposition of MDDC to HIV-1 was associated with an increase of mTOR, phosphomTOR and p62 expression. Treatment of MDDC with rapamycin decreased mTOR expression and altered MDDC trans infection ability although it failed to restore MDDC immunogenic potential. Indeed, rapamycin diminished CD83 expression on MDDC surface and increased CCR7 expression, indicating that the documented immunosuppressive property of this drug is associated with an impaired MDDC maturation. The second part of this master’s research project focused on the contribution of myeloid cells to HIV-1 reservoir persistence under ART. The objectives were to: (i) evaluate the presence of different forms of viral DNA in circulating monocytes from HIV-1 infected subjects and (ii) determine the viral integration and replication in monocytes-derived macrophages (MDM) from infected individuals receiving viral suppressive ART. Our results show that monocytes harbor early products from viral transcription (RU5 HIV-DNA) and that MDM support viral replication. Together, these very preliminary findings bring evidences that monocytes contribute to viral persistence under ART. Overall, our results indicate that HIV alters the immunogenic potential of DC and that rapamycin limits HIV trans-infection by DC. However, the fact that rapamycin fails to restore the immunogenic potential of DC stresses the need to identify additional strategies to manipulate the autophagy process for an optimal restoration of immune competence in HIV-infected subjects. Myeloid cells play a crucial role in HIV persistence and dissemination and thus must be aimed at when elaborating an antiviral therapy.

L’impératif d’une aquaculture durable conduit à orienter l’alimentation des poissons vers la substitution de la farine de poisson par des produits végétaux renouvelables. Toutefois, ce remplacement est souvent limité par des niveaux trop faibles en méthionine dans les matières premières végétales. Ainsi la supplémentation en méthionine de ces nouveaux régimes à base de végétaux est essentielle, mais requière une bonne connaissance de son rôle pour adapter les apports aux conditions physiologiques des poissons tout en prenant en compte les contraintes économiques et environnementales de production. Dans ce contexte, cette thèse avait pour principal objectif de caractériser les effets induits par une carence en méthionine sur le métabolisme mitochondrial de la truite arc en ciel. Les résultats obtenus dans notre première étude montrent que l'alimentation de truites avec un régime déficient en méthionine entraîne une baisse des performances de croissance associée à une baisse de l’intégrité mitochondriale et une diminution du statut oxydatif dans le foie. Nous démontrons également que ces perturbations s’accompagnent de l’induction d’un processus de dégradation des mitochondries par autophagie (appelé mitophagie) ainsi que d’une augmentation du stress du Réticulum Endoplasmique (RE) et de l’apoptose. Ces données originales publiées dans le journal Scientific Reports mettent ainsi en évidence les liens étroits qui existent entre différentes fonctions cellulaires pour faire face à un déséquilibre nutritionnel en méthionine. Outre cet effet à court terme, nous démontrons également, dans un seconde étude, qu’une carence en méthionine alimentaire pendant une courte période (2 semaines) lors des premiers repas des alevins entraîne une induction à long terme de facteurs liés à la mitophagie. Ces résultats, soumis à publication dans Journal of Experimental Biology, démontrent ainsi pour la première fois la mise en place d’un processus de programmation de cette fonction cellulaire par une carence précoce en méthionine. L’enrichissement en H3K4me3 et H3K36me3 des foies des poissons issus d’alevins carencés en méthionine par rapport aux poissons témoins suggère une implication de mécanismes épigénétiques dans ces effets. Enfin, dans une troisième étude qui se détache de la thématique principale de la thèse et qui a fait l’objet d’une publication dans le journal Frontiers in Physiology, nous nous sommes attachés à préciser les interactions existante entre l’autophagie, l’homéostasie du RE et le métabolisme intermédiaire. Dans l’ensemble, ces données approfondissent notre compréhension du rôle de la méthionine alimentaire au niveau cellulaire et soulignent le potentiel de cet acide aminé en tant que levier pour appliquer de nouvelles stratégies alimentaires, comme la programmation nutritionnelle, afin d’optimiser la nutrition et la santé des poissons d'élevage. / The expansion of the aquaculture industry in combination with limited availability and high prices of fishmeal has prompted feed producers to include more plant proteins in the aquaculture feeds. However, replacement of fish meal with plant proteins is often limited by the level of methionine in the alternative plant protein sources. Understanding of the different roles of methionine in fish is therefore essential to develop new diets and/or feeding strategies that are in tune with optimal fish growth, environmental and economic constraints. In this context, the main objective of this thesis was to characterize the effects induced by methionine deficiency on the hepatic mitochondrial metabolism in rainbow trout. The results obtained in our first study show that feeding trout with a methionine deficient diet leads to a decrease in growth performance associated with a decrease in both mitochondrial integrity and oxidative stress in the liver. We also demonstrate that these defects are accompanied by the induction of an autophagy-dependent mitochondrial degradation process (called mitophagy) as well as an increase in Endoplasmic Reticulum (ER)-stress and apoptosis. These original data published in Scientific Reports thus highlight the existence of close interactions between different cellular functions to cope to a dietary methionine deficiency. In addition to this short-term effect, we also demonstrate in a second study (submitted for publication in the Journal of Experimental Biology), that early nutritional stimulus during two weeks with a methionine deficient diet resulted in a long term programming of mitophagy. The enrichment of H3K4me3 and H3K36me3 in the liver of fish from methionine-deficient fry compared to their control counterparts suggests that epigenetic mechanisms are involved in these effects. Finally, in a third and last study, recently accepted for publication in Frontiers in Physiology, we sought to clarify, in primary culture of trout hepatocytes, the existing interactions between autophagy, ER homeostasis and intermediate metabolism under amino acid deprived conditions. Together, the results obtained in the present thesis extended our understanding of the role of dietary methionine at cellular level and emphasize the potential of this amino acid to apply new feeding strategies, such as nutritional programming, to optimize the nutrition and health of farmed fish.