L. pneumophila est l'agent responsable de la légionellose, une pneumonie sévère associée à 10% de mortalité. Cette bactérie intracellulaire a acquis la capacité de survivre et de se répliquer dans des cellules humaines. Notamment, L. pneumophila sécrète un grand nombre d'effecteurs par son système de sécrétion de type IV, qui interagissent avec différentes voies cellulaires, dont l'autophagie. L'autophagie est une voie de dégradation conservée qui permet aux cellules eucaryotes de réguler l'homéostasie cellulaire et d'éliminer les agents pathogènes intracellulaires. Néanmoins, nombre d'entre eux ont évolué pour manipuler cette voie à leur propre avantage. Même si l'interaction entre L. pneumophila et l'autophagie a été rapportée, aucun modèle clair n'est déterminé. Dans cette étude, nous montrons qu'une infection à L. pneumophila induit une stimulation globale de l'autophagie, mais que ce phénotype dépend des souches utilisées, et notamment de la présence de certains effecteurs. De plus, l'inhibition de l'autophagie est liée à un défaut de réplication intracellulaire suggérant que cette voie est bénéfique à la bactérie. Afin de rechercher les déterminants génétiques impliqués dans cette interaction, nous avons identifié des effecteurs communs sécrétés par le système de sécrétion de type IV entre L. pneumophila et Coxiella burnetii, une bactérie de l'ordre des Legionellales connue pour stimuler et détourner l'autophagie. La capacité des mutants de ces effecteurs à stimuler l'autophagie chez L. pneumophila a été analysée. Si aucun d'entre eux ne semble impliqué dans la modulation de l'autophagie, cette étude suggère d'autres fonctions pour ces effecteurs conservés / Legionella pneumophila is responsible for the legionellosis disease, a severe pneumonia associated with 10% mortality rate. This intracellular bacterium has evolved the ability to survive and replicate within human cells. Notably, L. pneumophila secretes a high number of type IV secretion system effectors that interfere with many cellular pathways including autophagy. Autophagy, a highly conserved degradative pathway, allows eukaryotic cells to regulate cell homeostasis and fight intracellular pathogens. Nevertheless numerous microorganisms have evolved strategies to subvert this mechanism to their own advantage. The interaction between L. pneumophila and autophagy has been reported but remains unclear. In this study, we show that L. pneumophila infection induces a global stimulation of autophagy, but importantly this autophagy stimulation depends on the bacterial strain. Moreover, we also observed that inhibition of autophagy results in decreased intracellular bacterial proliferation suggesting that host cell autophagy is benificial for L. pneumophila. In order to decipher the molecular determinants involved in the interaction with autophagy, we identified common effectors secreted by the type IV secretion system between L. pneumophila and Coxiella burnetii, a bacterium from the order Legionellale responsible for Q fever and known to stimulate and hijack host cell autophagy. Mutant of these common effectors in L. pneumophila were analysed. While, none of them seems to be implicated in autophagy modulation, this study suggests other functions for these conserved effectors

La maladie de Paget est caractérisée par un remodelage osseux anarchique débutant par une phase de résorption excessive suivie d’une phase de formation désordonnée. Comme les ostéoclastes sont recrutés en plus grand nombre et sont hyperactifs aux sites affectés par la maladie, cette cellule a été incriminée dans ce désordre osseux. Le phénotype de l’ostéoclaste pagétique comporte de plus un défaut du processus autophagique, de même qu'une résistance à l'apoptose, dont les mécanismes restent mal connus. Certains facteurs génétiques et environnementaux contribuent en partie au phénotype, mais d'autres facteurs pourraient y être associés. Des travaux du laboratoire ont mis en évidence six événements de l’épissage alternatif associés à la maladie de Paget. Parmi les gènes identifiés, le gène TBC1D25 et ses deux isoformes connus n’ont jamais été étudiés dans l’ostéoclaste. Le gène TBC1D25 possède un domaine hautement conservé TBC régulant l’activité des petites GTPases Rabs dans le transport vésiculaire et un domaine LIR liant la protéine LC3 durant le processus de l’autophagie. Ces domaines fonctionnels se retrouvent seulement dans l’isoforme long. L’hypothèse de recherche est que l’altération de l’épissage alternatif du gène TBC1D25 dans les ostéoclastes pagétiques explique en partie le phénotype de la cellule. Le changement dans le ratio de l’expression des isoformes affecterait le processus de l’autophagie, en plus d’affecter la principale fonction de l’ostéoclaste, la résorption osseuse. L’objectif principal de l’étude est de caractériser l’expression et la fonction de TBC1D25 dans les ostéoclastes humains. Des ostéoclastes humains différenciés à partir de monocytes fœtaux ont été utilisés pour l’étude de la fonction de TBC1D25 dans l’autophagie, l’apoptose et la résorption osseuse. Les travaux ont permis de localiser les protéines dans l’ostéoclaste dans des conditions maintenant un niveau basal de l’autophagie et dans des conditions induisant l’autophagie. L’interaction entre TBC1D25 et Rab34 a été confirmée pour la première fois dans les ostéoclastes. De plus, une variation de cette interaction a été observée dans les différentes conditions modulant le niveau d’induction de l'autophagie. Les résultats préliminaires montrent une augmentation du ratio LC3II/LC3I lors de la diminution de l’expression de TBC1D25 dans des conditions augmentant l’induction de l'autophagie. Par contre, aucun effet a été observé sur la résorption osseuse ou sur l'apoptose lors de la diminution de l’expression de TBC1D25. En conclusion, les résultats préliminaires montrent que TBC1D25 préviendrait l’augmentation du ratio LC3II/LC3I dans l’ostéoclaste soit en inhibant l’induction de l’autophagie ou en favorisant la dégradation des autophagosomes par l’entremise de son action sur Rab34. / Abstract : Paget’s disease of bone (PDB) is characterized by increases in bone turnover starting with excessive resorption followed by disorganized bone formation. Because the initial phase of PDB involves excessive bone resorption, osteoclasts have been identified as the cells primarily affected in PDB. Pagetic osteoclasts are overactive, resistant to apoptosis and exhibit defects in autophagy, but the mechanisms involved are still unclear. While genetic and environmental factors associated with PDB may partially account for the osteoclast phenotype, other genetic contributors have been identified. Recent work from our laboratory has identified six alternative splicing events associated with PDB. Among those genes, TBC1D25 and its two known isoforms have never been studied in osteoclasts. The two functional domains of TBC1D25 (TBC and LIR) are only present in the long isoform. The highly conserved TBC domain regulates small Rab GTPases in vesicular transport and the LIR domain interacts with LC3 during autophagy. Our research hypothesis is that altered alternative splicing of TBC1D25 in pagetic osteoclasts could contribute to phenotype. Differential isoform expression could affect osteoclast autophagy and bone resorption. The aim of the study is to characterize the expression and function of TBC1D25 proteins in human osteoclasts. Osteoclasts differentiated from cord blood monocytes were used to investigate the function of TBC1D25 in autophagy, apoptosis and bone resorption. First, the localization of the protein has been characterized in conditions maintaining basal autophagy and in rapamycin-induced autophagy. Interactions between TBC1D25 and Rab34 have been observed for the first time in osteoclasts. Moreover, changes in the interaction were observed with autophagy induction. Preliminary results suggest increases in LC3II/LC3I ratio with decreasing TBC1D25 expression when autophagy induction is stimulated. On the other hand, preliminary results showed that decreased expression of TBC1D25 did not affect bone resorption, nor apoptosis. In conclusion, preliminary results show that in osteoclasts, TBC1D25 could prevent the increase of LC3II/LC3I ratio by inhibiting autophagy induction or by promoting the clearance of autophagosomes through its action on Rab34.

Le gène BAG3 a été identifié comme étant un nouveau gène responsable de cardiomyopathie dilatée (CMD), première cause d'insuffisance cardiaque (IC). La protéine BAG3 est une co-chaperonne qui participe au contrôle de l'homéostasie protéique via son rôle dans l'autophagie, protégeant ainsi les cellules contre la protéotoxicité induite par les protéines dégradées ou mal repliées. L'hypothèse qu'une inactivation de la voie autophagique contrôlée par BAG3 induirait une protéotoxicité cardiomyocytaire à l'origine de la CMD apparait particulièrement attractive et constitue l'hypothèse centrale de ce travail. Nos résultats indiquent que les mutations de BAG3 abolissent l'interaction avec la chaperonne HSP70, une protéine centrale du contrôle qualité des protéines. Nous avons observé une cytotoxicité des mutants BAG3, une altération de la fonction chaperonne HSP70-dépendante et une absence de réponse autophagique en condition de stress (jeun, choc thermique, expression d'une protéine pro-agrégante). In vivo (modèle poisson-zèbre) l'extinction de l'expression de BAG3 ou la surexpression des mutants conduisent à l'apparition d'un phénotype d'insuffisance cardiaque (¿dème péricardique) chez les embryons injectés. Par édition génomique, nous développons également un modèle de cardiomyocytes dérivés de cellules iPS porteurs ou non de la mutation afin d'explorer plus en avant la fonction contractile de ces cellules. Nos résultats confirment donc le rôle de BAG3 dans la CMD et indiquent que l'altération de la fonction protéostasique serait à l'origine de la maladie. Cette nouvelle voie physiopathologique dans la CMD pourrait s'avérer être, plus généralement, une voie centrale dans l'IC. / The BAG3 gene was identified as a novel gene responsible for dilated cardiomyopathy (DCM), a major cause of heart failure (HF). The BAG3 protein is a co-chaperone that participates in the control of protein homeostasis via its role in autophagy, protecting cells against the proteotoxicity induced by degraded or misfolded proteins. The hypothesis that inactivation of the autophagic pathway controlled by BAG3 would induce cardiomyocyte proteotoxicity behind the CMD appears particularly attractive and is the central hypothesis of this work. Our results indicate that BAG3 mutations abolish the interaction with the chaperone HSP70, a central actor of the protein quality control. We observed cytotoxicity of BAG3 mutants, an impaired HSP70-dependent chaperone function and absence of autophagic response under stress conditions (starvation, heat shock, expression of a pro-aggregating protein). In vivo (zebrafish model) the extinction of BAG3 expression or mutants overexpression lead to the occurrence of a heart failure phenotype (pericardial edema) in injected embryos. Through genomic edition, we also develop a model of iPS-derived cardiomyocytes carrying or not the mutation in order to further explore the contractile function of these cells. Our results confirm the role of BAG3 in DCM and indicate that the alteration of the proteostasis function is the cause of the disease. This new pathophysiological pathway in DCM may prove to be more generally, a central line in the IC.

Les mutations FLT3-ITD et KITD816V sont fréquemment retrouvées dans les leucémies aiguës myéloïdes où elles sont associées à un pronostic défavorable. Ces deux récepteurs à activité tyrosine kinase (RTK) mutés sont des acteurs clés de la leucémogenèse régulant la prolifération, la survie et la différenciation cellulaire. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier la régulation de l'expression protéique de FLT3 en réponse aux inhibiteurs du protéasome, le rôle de l'autophagie dans les LAM KITD816V et l'impact du 2-deoxy-D-glucose sur la localisation intracellulaire des récepteurs. Les travaux réalisés ont démontré trois manières originales de cibler des cellules portant les oncogènes FLT3-ITD ou KIT en jouant sur leur dégradation, leur localisation intracellulaire et l'autophagie. / FLT3-ITD and KITD816V mutations are recurrently found in acute myeloid leukemia, where they are associated with a poor prognosis. These two Tyrosine Kinase Receptors (TKR) are involved in leukemogenesis, regulating proliferation, survival and cell differentiation. The aim of this thesis was to study the regulation of FLT3 protein expression in response to proteasome inhibitors, the role of autophagy in KITD816V-driven AML and the impact of 2-deoxy-D-glucose (2-DG) on the intracellular localization of TKRs. Our studies investigated three original ways to target cells bearing FLT3-ITD or oncogenic KIT mutations playing on their degradation, intracellular localization and autophagy.

L’autophagie est un processus de dégradation et de recyclage des composés cellulaires. Ce mécanisme est nécessaire que ce soit à l’état basal pour éliminer des agrégats protéiques ou des organites endommagés ou en condition de stress, tels que la carence nutritionnelle, l’hypoxie ou encore des traitements anticancéreux. De ce fait, l’autophagie est un processus essentiel à la survie ainsi qu’au maintien de l’homéostasie cellulaire. Connaître les joueurs et comprendre les mécanismes de régulation de l’autophagie sont donc importants. Les GTPases RABs sont des régulateurs importants de ce processus. Celles-ci agissent comme des interrupteurs moléculaires permettant d’exécuter rapidement des fonctions dans la cellule. Les RABs sont activées par des Guanine Nucleotide Exchange Factors (GEF) alors que les GTPase Activating Proteins (GAP) accélèrent la désactivation de la RAB. RAB21 est essentielle dans les étapes tardives de l’autophagie. En effet, RAB21 est activée par la carence nutritionnelle, via sa GEF MTMTR13, et permet le trafic d’une SNARE requise pour le flux autophagique. Lors d’une carence prolongée, l’activité de RAB21 diminue rapidement, suggérant ainsi le rôle d’une GAP dans cette régulation négative. Toutefois, aucune GAP pour RAB21 n’a été identifiée jusqu’à maintenant. Un criblage génétique chez la drosophile a permis d’identifier quelques candidats. Suite à des essais d’interactions protéiques, il s’est avéré que seule la GAP TBC1D25 interagissait avec RAB21. De plus, cette interaction est augmentée en fonction de la carence nutritionnelle. Des immunofluorescences par microscopie confocale ont révélé que l’interaction RAB21-TBC1D25 était située en partie au niveau des endosomes précoces. Par ailleurs, une activation prolongée de RAB5, située sur les endosomes précoces, inhibe l’interaction RAB21-TBC1D25. De plus amples expériences devront être réalisées afin d’expliquer ces résultats. Dans un autre ordre d’idée, RAB21 est surexprimée dans les cellules ayant un flux autophagique élevé ainsi que dans certaines tumeurs de cancer du côlon (données non publiées du laboratoire). L’expression de Tbc1d25 dans ces mêmes tumeurs ne semble pas augmentée, indiquant que TBC1D25 pourrait être un inhibiteur autophagique spécifique aux cellules ayant un flux autophagique élevé. À la lumière des résultats obtenus, TBC1D25 semble être une GAP pour RAB21 qui permet sa régulation négative suivant l’activation de l’autophagie induite par la carence nutritionnelle. / Abstract : Autophagy is defined as the lysosomal degradation and recycling of cellular constituents. At basal levels, autophagy eliminates protein aggregates or damaged organelles. In condition of stress, such as in condition of nutritional deficiency, hypoxia or cancer treatments, autophagy allow cells to adapt and survive. Therefore, autophagy is an essential system required for survival and maintenance of cellular homeostasis. It is thus essential to identify the cellular entities and mechanisms regulating this process. RAB GTPases were identified as master regulators of autophagy. These particular proteins act as molecular switches for the rapid execution of cellular responses. RABs are activated by Guanine Nucleotide Exchange Factors (GEF) whereas GTPase Activating Proteins (GAP) accelerates RAB deactivation. RAB21 is essential in the late stages of autophagy. Indeed, RAB21 is activated by nutritional deficiency, via its GEF MTMTR13, to allow trafficking of a SNARE required for autophagic flux. During starvation, RAB21 is deactivated which suggest that a GAP could negatively regulate RAB21 activity. However, to date no GAP for RAB21 has been identified. An eye modifier genetic screen in Drosophila was performed to identify potential RAB21 GAPs and some candidates were identified. As a result of this screen, the GAP TBC1D25 was identified as interacting with RAB21. Moreover, this interaction was increased by starvation. Proximity ligation assays revealed that the RAB21-TBC1D25 interaction partially localized at early endosomes. Moreover, prolonged activation of RAB5, located at early endosomes, inhibited RAB21-TBC1D25 interaction. Further experiments will be carried out to explain these results. With respect to the roles of autophagy in cancer, RAB21 was shown to be overexpressed in cells with high autophagic flux as well as in some colon cancer tumors. Importantly, the expression of Tbc1d25 in these same tumors does not appear to be increased, indicating that TBC1D25 could be an autophagic inhibitor specific to cells with a high autophagic flow. My work suggests that TBC1D25 could function as a GAP to negatively regulate RAB21 activity in condition of prolonged starvation.

L'autophagie est un processus d'auto-digestion durant lequel les cellule dégradent leurs propres composants afin de maintenir l’homéostasie en conditions basales. L'autophagie est donc nécessaire à l’échelle de la cellule et de l’organisme car elle joue un rôle dans l’élimination des organites endommagés et des agrégats de protéines potentiellement nocifs et a la capacité de mobiliser les métabolites essentiels des réserves énergétiques en conditions de stressLa détérioration des fonctions cellulaires et au niveau de l’organisme liée à l'âge est associée à une dérégulation des voies de détection des nutriments ainsi qu’à une autophagie déficiente. La réactivation du flux autophagique peut prévenir ou améliorer ces dysfonctionnements métaboliques liés à l'âge. Les composés non toxiques capables de réduire les taux globaux d'acétylation des protéines et d'induire l'autophagie ont été classés dans la catégorie des agents mimétiques de restriction calorique (CRMs, de l’anglais « caloric restriction mimetic »). Nous montrons ici que l'aspirine et son métabolite actif, le salicylate, induisent une autophagie en raison de leur capacité à inhiber l'activité acétyltransférase de EP300. Alors que le salicylate stimule le flux autophagique dans les cellules « Wild Type », il ne permet pas d’augmenter le niveau d'autophagie dans les cellules déficientes en EP300, ni dans les cellules dans lesquelles EP300 endogène a été remplacé par les mutants EP300 résistants au salicylate. En conséquence, l'activité pro-autophagique de l'aspirine et du salicylate sur le nématode Caenorhabditis elegans est perdue lorsque l'expression de l'orthologue EP300 cpb-1 est réduite. Ces résultats permettent de conclure que l'aspirine est un CRM dont le mécanisme est conservé au cours de l’évolution. / Autophagy is a self-digestion process in which cell degrades its own components in order to maintain homeostasis in basal conditions; autophagy is required for the maintenance of cellular and organismal fitness due to its role in eliminating damaged organelles and potentially harmful protein aggregates, as well as its unique capacity to mobilize essential metabolites from complex energy stores in conditions of stress.The age-associated deterioration in cellular and organismal functions associates with dysregulation of nutrient-sensing pathways and disabled autophagy. The reactivation of autophagic flux may prevent or ameliorate age-related metabolic dysfunctions. Non-toxic compounds endowed with the capacity to reduce the overall levels of protein acetylation and to induce autophagy have been categorized as caloric restriction mimetics (CRMs). Here, we show that aspirin or its active metabolite salicylate induce autophagy by virtue of their capacity to inhibit the acetyltransferase activity of EP300. While salicylate readily stimulates autophagic flux in control cells, it fails to further increase autophagy levels in EP300-deficient cells, as well as in cells in which endogenous EP300 has been replaced by salicylate-resistant EP300 mutants. Accordingly, the pro-autophagic activity of aspirin and salicylate on the nematode Caenorhabditis elegans is lost when the expression of the EP300 ortholog cpb-1 is reduced. Altogether, these findings identify aspirin as an evolutionary conserved CRM.

La production cyclique d'adénosine monophosphate (AMPc) régule certains aspects de la fonction mitochondriale des cardiomyocytes de rongeurs, tels que la production d'ATP, la consommation d'oxygène, les importations de calcium et la transition de perméabilité mitochondriale (MPT), mais le contrôle de ce pool d'AMPc n'est pas bien connu. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'expression, la localisation et l'activité de plusieurs enzymes dégradant l'AMPc, les phosphodiestérases (PDEs), dans des mitochondries cardiaques isolées de rongeurs. L'expression de la PDE2 a été principalement détectée dans les mitochondries sous-sarcologiques, et l'activité de la PDE2 stimulée par le GMPc était plus importante que celle de la PDE3 et de la PDE4; leurs activités ont ensuite été confirmées dans les cardiomyocytes de rats nouveau-nés par analyse FRET en temps réel. De plus, l’inhibition pharmacologique ou la surexpression cardiaque spécifique de la respiration mitochondriale modulée par la PDE2, la perte de potentiel de la membrane mitochondriale, le MPT et l’importation de calcium. Ainsi, la dégradation de l'AMPc par les PDE représente un nouveau mécanisme de régulation de la fonction mitochondriale et devient une cible potentielle dans le traitement des maladies cardiovasculaires.En outre, l'amélioration récente du traitement anticancéreux entraîne une augmentation du nombre de patients survivants, mais un risque de cardiotoxicité à long terme. Ainsi, dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons identifié des molécules cardioprotectrices à partir de bibliothèques chimiques en développant un test de criblage à haut débit. Nous avons identifié 6 molécules à effets puissants et spécifiqies et les avons validés dans 3 modèles cellulaires. Nous avons étudié les mécanismes d'action de chaque molécule en utilisant l’extinction par siARN, l'analyse par western blot, l'imagerie par fluorescence et les analyses métaboliques en temps réel. Trois molécules pourraient entrer rapidement dans les études précliniques et cliniques en association avec des agents de radiothérapie ou des agents chimiothérapeutiques pour le développement thérapeutique, tandis que les trois autres molécules pourraient nécessiter une optimisation chimique supplémentaire. / Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) production regulates certain aspects of mitochondria function in rodent cardiomyocytes, such as ATP production, oxygen consumption, calcium imports and mitochondrial permeability transition (MPT), but how this cAMP pool is controlled is not well known. In the first part of this thesis, we investigated the expression, localization and activity of several cAMP-degrading enzymes, phosphodiesterases (PDEs), in isolated rodent cardiac mitochondria. PDE2 expression was mainly detected in subsarcolemmal mitochondria, and cGMP-stimulated PDE2 activity was largest than PDE3 and PDE4, their activities were further confirmed in neonatal rat cardiomyocytes by real time FRET analysis. Moreover, the pharmacological inhibition or the cardiac-specific overexpression of PDE2 modulated mitochondrial respiration, mitochondrial membrane potential loss, MPT and calcium import. Thus, cAMP degradation by PDEs represents a new regulatory mechanism of mitochondrial function, and becomes a potential target in cardiovascular diseases therapy.In addition, the recent improvement of anticancer treatment results in an increase in surviving patients, but with a risk of long-term cardiotoxicity. Thus, in the second part of this thesis, we identified cardioprotective molecules from chemical libraries by developing a high throughput screening assay. We identified 6 potent and specific hits and validated them in 3 cellular models. We investigated the mechanisms of actions of each molecule and their cellular impact by using siRNA silencing, western-blot analysis, fluorescent imagery and real-time metabolic analyses. Three molecules could enter rapidly in preclinical and clinical studies in combination with radiation or chemotherapeutic agents for therapeutic development, while other three molecules may require further chemical optimization.

S’appuyer sur le métabolisme pour lutter contre la prolifération tumorale est une démarche qui commence à montrer de nombreux résultats. Notamment, il a été montré que la privation en nutriments ou jeûne permettait de ralentir l’incidence et la croissance de plusieurs modèles tumoraux en préclinique, effet d’autant plus important quand il est combiné aux agents chimiothérapeutiques. Notre laboratoire a identifié des agents capables de mimer certains effets biochimiques du jeûne. Ces composés, nommés Caloric Restriction Mimetics, permettent également d’améliorer l’effet antitumoral de plusieurs chimiothérapies. De façon importante, le système immunitaire était nécessaire à l’efficacité de ces différentes combinaisons thérapeutiques. Mon projet de thèse avait donc pour objectifs de comprendre en quoi ces traitements impactaient les populations immunitaires infiltrées dans la tumeur et si ces modulations métaboliques pouvaient être mises à profit en combinaison d’autres thérapies anticancéreuses. / Taking advantage of metabolism to fight against tumor proliferation begin to show several results. Indeed, it has been demonstrated that fasting had the potential to reduce the incidence and the proliferation of differents preclinical tumor models. This effect could be further enhanced when combined with chemotherapeutics agents. Thus, our laboratory has pinpointed compounds that have the ability to mimic some of the biochemical properties of nutrient deprivation. Those compounds, named Caloric Restriction Mimetics, can also improve the antitumor effect of several chemotherapies. Importantly, immune system is necessary to the efficiency of those therapeutics combinations. Accordingly, my thesis project was to understand in which manner tumor immune infiltrated populations were impacted by those treatments, and if those metabolic modulators could benefit to others anticancer therapies.

Das Sprouty-related, EVH1 domain containing protein 2 (SPRED2) ist ein inhibitorisches, downstream von Ras wirkendes Protein des MAP-Kinase Signalwegs, welches entscheidenden Einfluss auf die Regulation von Proliferation, Expression von Proteinen und der zellulären Homöostase hat. Der kardiale Phänotyp von SPRED2- defizienten Mäusen zeigt nicht nur eine deutliche linksventrikuläre Hypertrophie, sondern auch eine erhöhte Fibrosierung des Herzgewebes. Zellulär wird die SPRED2- Defizienz durch die Akkumulation von vesikulären Strukturen innerhalb der Zelle, sowie eine markant erhöhte Anzahl von Vesikeln entlang der longitudinalen Reihen der Mitochondrien gekennzeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, den Charakter dieser vesikulären Strukturen näher zu beleuchten und festzustellen, in welchem Zusammenhang die subzellulär veränderte Architektur mit der Hypertrophie der SPRED2-defizienten Tiere steht. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurde zunächst nach einem vesikulären Degradationsmechanismus gesucht, der in SPRED2-/--Cardiomyocyten betroffen sein könnte. Die Macroautophagie, im folgenden Autophagie bezeichnet, ist ein solcher Degradationsmechanismus, bei dem selektiv langlebige Proteine und Zellorganellen abgebaut werden. Es konnten signifikante Veränderung der Protein-Level an Schlüsselpositionen der Autophagie identifiziert werden. Das Ubiquitin-aktivierende (E1) Enzym Homolog Atg7 sowie die Cystein-Protease Atg4B zeigen sich im SPRED2- KO deutlich reduziert. Ebenso Atg16L, das als essentieller Bestandteil des Atg5- Atg12-Atg16-Konjugationssystems bei der Konjugation von MAPLC3-II an das Phospholipid Phosphatidylethanolamin beteiligt ist. Die Autophagie-Rate als Verhältnis von konjugiertem zu unkonjugiertem MAPLC3 ist ebenfalls reduziert. Die Akkumulation der autophagischen Vesikel zeigt sich kongruent zu dem erhöhten Protein-Level der autophagischen Cargo-Rezeptoren SQSTM1 und NBR1, sowie des lysosomalen Markers CathepsinD. Außer der verringerten Autophagie-Rate zeigt sich in Einklang mit der Fibrosierung des Herzgewebes eine erhöht aktive Caspase-3 als Marker für Apoptose. Um die mitochondriale Integrität näher zu beleuchten, wurde die Menge an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in Wildtyp und SPRED2-KO untersucht. Hierbei zeigte sich eine erhöhte Menge an ROS im KO, was ein Hinweis auf eine Beeinträchtigung der Mitochondrien darstellt. Letztlich wurde die Hypothese überprüft, ob ein gestörter Transport der Vesikel durch eine Beeinträchtigung der Motorproteine Dynein und Kinesin vorliegt. In der Tat zeigte sich die Aktivität der Dynein-ATPase verringert in der Abwesenheit von SPRED2. Diese Beobachtung wird durch die erhöhten Mengen des vSNARE-Proteins VTI1b unterstützt, was letztlich die Akkumulation der autophagischen Vesikel mit einer verringerten Fähigkeit zur Membranfusion und dem ineffizienteren Transport der Vesikel in Einklang bringt. Da die gesamten Experimente in einem globalen SPRED2-KO System durchgeführt wurden, können eventuelle Auswirkungen der beeinflussten hormonellen Situation der SPRED2-KO Tiere auf den Herzphänotyp nicht final ausgeschlossen werden. Um die genaue Wirkung einer SPRED2-Defizienz auf das Herzgewebe und das Herz als Organ zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine SPRED2- defiziente knockout Mauslinie mit konditionalem Potential generiert, die eine gesteuerte Deletion von SPRED2 im Herzgewebe erlaubt. / The Sprouty-related, EVH1 domain containing protein 2 (SPRED2) is a MAP kinase signaling inhibitor working downstream of Ras. It has a critical influence on regulating proliferation, differentiation, expression of proteins and cellular hemostasis. The cardiac phenotype of SPRED2 deficient mice not only shows a significant left ventricular hypertrophy but also a hightened fibrosis of the heart tissue. On the cellular level the SPRED2 deficiency is marked by an accumulation of ventricular structures within the cell, as well as a decisive number of vesicles along the longitudinal rows of mitochondria. The aim of this work was to elucidate the properties of these vesicular structures and to determine in which context the subcellularly modified architecture and the hypertrophy of the SPRED2 deficient animals stand to each other. To answer this question, a protein degradation mechanism that could be changed within the SPRED2 deficient cardiomyocytes was identified. Macroautophagy, further called autophagy, is such a degradation mechanism, which degrades long-lived proteins and cell organelles. This work identified significant changes made to the protein level of key regulators of autophagy. The ubiquitin-activating (E1) enzyme homolog Atg7 as well as the cystein protease Atg4B are reduced in the SPRED2 KO. Similarly, Atg16L, which acts as an essential part of the Atg5-Atg12-Atg16 conjugation system in the process of conjugating MAPLC3 to the phospholipid phosphatidylethanolamine. The autophagic flux, as the relation between conjugated and unconjugated MAPLC3, is reduced in the knockout as well. The accumulation of autophagic vesicles is in accordance with the elevated protein levels of the cargo receptors SQSTM1 and NBR1 as well as the lysosomal marker CathepsinD. Besides the reduced autophagic flux there is an elevated protein level of activated caspase-3 as a marker of apoptosis. To further elucidate the mitochondrial integrity, the endogenous levels of reactive oxygen species were determined in wildtype and knockout individuals. It was shown that the SPRED2 knockout contains an elevated level of ROS which could be a sign of reduced mitochondrial survival. Finally, it was investigated whether the disturbed transport of vesicles was due to impaired motor protein efficiency. It was shown that the activity of the dynein ATPase was reduced when SPRED2 was absent. This observation is supported by the elevated levels of the vSNARE protein VTI1b, which connects the accumulation of autophagic vesicles with the reduced ability to membrane fusion and a less efficient transport of vesicles. The experiments of this work were conducted in a global SPRED2-KO system. Possible effects of the changed hormonal situation of the SPRED2 deficient animals to the heart phenotype cannot be excluded. For that reason a conditional SPRED2 knockout mouse line with conditional potential was created capable of further elucidating the effect of a SPRED2 deficiency to the heart.

This work investigates the death and degradation of the second polar body of the nematode C. elegans in order to improve our understanding how pluripotent undifferentiated cells deal with dying cells. With the use of fluorescence microscopy this work demonstrates that both polar bodies loose membrane integrity early. The second polar body has contact to embryonic cells and gets internalized, dependent on the Rac1-ortholog CED-10. The polar body gets degraded via LC3-associated phagocytosis. While lysosome recruitment depends on RAB-7, LC3 does not improve lysosome recruitment but still accelerates polar body degradation. This work establishes the second polar body as a genetic model to study cell death and LC3-associated phagocytosis and has revealed further aspects of phagosome maturation and degradation. / Um besser zu verstehen, wie undifferenzierte pluripotente Zellen mit abgestorbenen Zellen umgehen, wird in dieser Dissertation die Phagozytose und der Abbau des 2. Polkörpers der weiblichen Meiose im Fadenwurm C. elegans untersucht. Mithilfe von fluorenzenzmikroskopischen Aufnahmen wird in dieser Arbeit gezeigt, dass beide Polkörper schon früh ihre Membranintegrität verlieren. Der 2. Polkörper, welcher direkten Kontakt zu embryonischen Zellen hat, wird daraufhin mithilfe des Rac1-Orthologs CED-10 phagozytiert. Es wird gezeigt, dass es sich bei dem Abbauprozess um LC3-assoziierte Phagozytose handelt. Die RAB-7 GTPase ist notwendig für die Rekrutierung von Lysosomen, während LC3 darauf keinen Einfluss hat, aber trotzdem den Abbau des Polkörpers beschleunigt. Mit dieser Arbeit konnte ein genetisches Modell für die Erforschung von Zelltod und der LC3-assoziierten Phagozytose entwickelt werden und weitere Aspekte der Phagosomreifung und des -abbaus aufgedeckt werden.