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Le cancer du sein triple négatif (CSTN) est un sous-type de cancer du sein très agressif et dépourvu de surexpression des récepteurs hormonaux et de HER2. Les tumeurs mutantes BRCA1 et BRCA2 constituent 15 à 20% des CSTN et récemment un groupe d’agent thérapeutique ciblé prometteur a vu le jour pour ce type de cancers. En effet, les inhibiteurs de PARP (PARPi) ont démontré une amélioration de la survie sans maladie à distance chez les patientes atteintes d'un cancer du sein précoce avec mutation BRCA1/2 HER2 négatif, suggérant que les PARPis peuvent éliminer la maladie micrométastatique. Cependant, des réponses plus durables seront probablement obtenues si les PARPis sont utilisés en combinaison, comme avec un autre agent endommageant l'ADN tout comme le carboplatine. De plus, il est plausible que l'efficacité puisse être améliorée et la toxicité diminuée si un PARPi puissant comme le talazoparib est administré en utilisant une approche séquentielle. Ici, nous avons évalué l'impact des stratégies de dosage concomitantes et séquentielles dans des lignées cellulaires du CSTN et trois modèles de souris de xénogreffe orthotopique. Alors que la combinaison simultanée ou séquentielle ont inhibé les volumes tumoraux primaires de la même manière, la combinaison séquentielle a diminué la migration, l'invasion, les métastases à distance et a été associée à moins de toxicité. Par conséquent, ces combinaisons du talazoparib et du carboplatine devraient être considérées dans les futurs essais cliniques comme une approche efficace pour inhiber la maladie micrométastatique et potentiellement diminuer l'utilisation de la chimiothérapie chez ces patients. / The triple-negative breast cancer (TNBC) is a very aggressive breast cancer subtype that lacks overexpression of hormone receptors and HER2. BRCA1 and BRCA2 mutant tumors constitute 15-20% of TNBC and recently, a family of promising targeted therapeutic agents has emerged for this type of cancer. Indeed, PARP inhibitors (PARPi) have been shown to improve distant disease-free survival in patients with HER2-negative BRCA1/2 mutation early breast cancer, suggesting that PARPis can eliminate micrometastatic disease. However, durable responses are likely to be obtained if PARPis are used in combination, such as with another DNA damaging agent like carboplatin. Additionally, it is plausible that efficacy may be enhanced and toxicity decreased if a potent PARPi such as talazoparib is administered using a sequential approach. Here, we evaluated the impact of the concomitant and sequential dosing strategies in TNBC cell lines and three orthotopic xenograft mouse models. While the simultaneous or sequential combination inhibited primary tumor volumes to a similar extent, the sequential combination decreased migration, invasion, distant metastasis, and was associated with less toxicity. Therefore, the sequential combination of talazoparib and carboplatin should be considered in future clinical trials as an effective approach to inhibit micrometastatic disease and potentially decrease the use of chemotherapy in these patients.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de récepteurs à domaines transmembranaires et sont impliqués dans divers processus biologiques, ce qui en fait une cible privilégiée pour le développement de médicaments. Parmi les protéines qui régulent la signalisation des RCPG, les β-arrestines sont impliquées dans plusieurs fonctions canoniques telles que la désensibilisation, l'internalisation et le trafic des récepteurs. En outre, la β-arrestine accomplit aussi des fonctions non-canoniques en agissant comme un échafaudage pour des complexes de signalisation notamment pour la voie MAPK et ainsi favorise certaines voies de signalisation intracellulaire. La présente thèse visait à explorer des fonctions non-canoniques et de nouveaux mécanismes possibles de régulation de la β-arrestine induite par l'activation des RCPG. Le premier projet visait à mettre en évidence le mécanisme de trafic des protéines G de la membrane plasmique vers les endosomes et le rôle que joue la β-arrestine dans ce processus. Nous avons montré que la sous-unité Gαs se dissocie de la membrane plasmique indépendamment de la β-arrestine après l'activation des récepteurs, alors que le dimère Gβγ nécessite la présence de la β-arrestine. Nous avons également mis en évidence la formation d'un complexe composé du récepteur V2 de la vasopressine, de la β-arrestine et de l'hétérodimère Gβγ et que ce complexe est crucial pour la translocation des protéines G vers les endosomes. Cette étude met en évidence le rôle de la β-arrestine dans le trafic endosomal des protéines G et établit les bases pour expliquer sa contribution dans la médiation de la signalisation soutenue des protéines G dans les endosomes. Le second projet avait pour objectif d'explorer le rôle de l'ubiquitination du récepteur du glucagon (GCGR) sur sa signalisation et les fonctions de la β-arrestine. Nous avons montré que l'état d'ubiquitination de ce récepteur cause un biais de signalisation, car le GCGR déubiquitiné présente une diminution du couplage et de l'activité des protéines G alors que la liaison à la β-arrestine est augmentée. Ceci contribue à l’activation de la voie de signalisation MAPK p38 de manière dépendante de la β-arrestine 1. Nous avons également montré que le biais en faveur de la β-arrestine ne réduit pas la sécrétion d'insuline médiée par le GCGR dans les cellules β pancréatiques. Cette étude suggère que la sécrétion d’insuline dépendante du GCGR implique à la fois une signalisation dépendante des protéines G, mais aussi de la β-arrestine. Le statut d'ubiquitination du GCGR oriente la signalisation du récepteur par différents effecteurs pour réguler la sécrétion d'insuline et l'homéostasie du glucose. Le troisième projet visait à identifier de nouveaux interacteurs des β-arrestines 1/2 et à caractériser le rôle de ces interactions dans le contexte de la signalisation des RCPG. Nous avons identifié plus de 100 nouveaux interacteurs potentiels des β-arrestines 1/2 en utilisant l'approche protéomique BioID. Nous avons confirmé l'interaction de l'enzyme atypique de conjugaison de l'ubiquitine UBE2O avec les β-arrestines. Nous avons également montré que UBE2O module le trafic des β-arrestines entre la membrane plasmique et les endosomes. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour explorer des fonctions potentielles des β-arrestines médiées par leurs liaisons à des interacteurs jusqu'alors non identifiés. Les résultats compilés dans cette thèse permettent de dresser un tableau plus étendu des mécanismes régulant les fonctions de la β-arrestine ainsi que de nouveaux rôles potentiels que cette protéine joue dans la signalisation des RCPG. La caractérisation des fonctions non-canoniques et des mécanismes de régulation de la β-arrestine est une avenue prometteuse qui pourrait mener au développement de thérapies ciblant les RCPG. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest family of transmembrane receptors and are involved in various biological processes, making them an interesting target for drug discovery. GPCR signaling is regulated by various proteins, including the β-arrestin family that mediate various canonical functions such as receptor desensitization, internalization, and trafficking. β-arrestin also fulfills certain non-canonical roles and has been shown to trigger intracellular signaling by acting as a scaffold for signaling complexes such as for the MAPK pathway. The present thesis aimed to explore non-canonical functions and possible novel mechanism of regulation of β-arrestin following GPCR activation. The objective of the first project was to uncover G protein trafficking mechanism from the plasma membrane to the endosomes and the role that β-arrestin plays in this process. We showed that the Gαs subunit dissociates from the plasma membrane independently of β-arrestin after receptor activation while the Gβγ dimer requires β-arrestin for its trafficking. We also revealed the formation of a complex composed of the vasopressin V2 receptor, β-arrestin, and the Gβγ heterodimer and that this complex is critical for G protein translocation to the endosomes. This study highlights the role of β-arrestin in Gβγ trafficking and lays the basis for explaining the role of β-arrestin in mediating sustained endosomal G protein signaling. The aim of the second project was to explore the role of the glucagon receptor (GCGR) ubiquitination on signaling and β-arrestin functions. We showed that the ubiquitination state of the receptor controls signaling bias as a deubiquitinated GCGR exhibits decreased G protein coupling and activity while β-arrestin binding is enhanced. Deubiquitinated GCGR signaling is also redirected to a β-arrestin 1-dependent p38 MAPK pathway. We also revealed that this β-arrestin bias does not reduce GCGR-mediated insulin secretion in pancreatic β-cells. This study suggests that GCGR-dependent insulin secretion involves both G-protein and β-arrestin-dependent signaling. The ubiquitination status of GCGR directs signaling through different effectors to regulate insulin secretion and glucose homeostasis. The third project aimed to identify novel interactors of β-arrestin 1/2 and characterize the role of these interactions in the context of GPCR signaling. We identified over 100 new β-arrestin 1/2 potential interactions using the BioID proteomic approach. We confirmed the interaction of the atypical ubiquitin conjugating enzyme UBE2O with β-arrestin by co-immunoprecipitation and by BRET. We also showed that UBE2O modulates β-arrestin trafficking between the plasma membrane and early endosomes. The results of this study open new avenues to explore novel functions and regulation mechanisms of β-arrestin mediated by their interactions with previously unidentified interactors. The findings compiled in this thesis shed light on a broader picture of the mechanisms regulating β-arrestin functions, as well as the potential novel roles this protein plays in GPCR signaling. The characterization of non-canonical functions and regulatory mechanisms of β-arrestin is an exciting avenue that could be important in the development of future therapies targeting GPCRs.

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

Le mélanome métastatique est l’un des cancers les plus adaptatifs notamment en raison de sa grande hétérogénéité, de son changement de phénotype cellulaire et de sa reprogrammation métabolique adaptative. Ces différentes caractéristiques lui confèrent la capacité de fuir l’immunosurveillance du système immunitaire, de s’adapter au microenvironnement tumoral et de développer une résistance thérapeutique. Les thérapies ciblées les plus courantes pour le traitement du mélanome réduisent la progression tumorale en ciblant spécifiquement des voies de signalisation qui régulent la croissance des cellules cancéreuses et le cycle cellulaire. Ce mémoire vise l’étude de la réponse immunitaire des cellules de mélanome à des thérapies ciblées émergentes comme celles menant à l’inhibition des kinases RSK et PLK, et a exploré les bases mécanistiques de cette réponse. Nous montrons qu’il existe une grande hétérogénéité de réponse à ces traitements, et que l’inhibition non sélective de RSK mène à l’induction d’une réponse antiproliférative caractérisée par l’induction et la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires. Grâce à des approches pharmacologiques et moléculaires, nous montrons que PLK1 est au coeur de cette réponse et contrôle un programme de différenciation cellulaire apparenté à la transition de phénotypes. Pour finir, la déplétion des mitochondries ou de certaines protéines mitochondriales associée à une signature de résistance thérapeutique augmente la mort cellulaire et diminue l’expression de molécules pro-inflammatoire en réponse à l’inhibition de PLK1. Cette recherche met en lumière de nouveaux mécanismes de résistance à des thérapies ciblées émergentes et permettra la conception de stratégies thérapeutiques qui ciblent certains phénotypes mitochondriaux / Metastatic melanoma is one of the most adaptive cancers, due to its great heterogeneity, its changing cellular phenotype, and its adaptive metabolic reprogramming. These features enable it to evade immune surveillance, adapt to the tumor microenvironment, and develop therapeutic resistance. The most common targeted therapies for the treatment of melanoma reduce tumor progression by specifically targeting signaling pathways that regulate cancer cell growth and the cell cycle. This thesis aims to study the immune response of melanoma cells to emerging targeted therapies such as those leading to inhibition of RSK and PLK kinases, and to explore the mechanistic basis of this response. We show that there is considerable heterogeneity in response to these therapies, and that non-selective inhibition of RSK leads to the induction of an antiproliferative response characterized by the induction and secretion of pro-inflammatory cytokines. Using pharmacological and molecular approaches, we show that PLK1 is at the heart of this response and controls a cell differentiation program akin to phenotype transition. Finally, depletion of mitochondria or certain mitochondrial proteins forming a therapeutic resistance signature increases cell death and decreases the expression of pro-inflammatory molecules in response to PLK1 inhibition. This research sheds light on new mechanisms of resistance to emerging targeted therapies and will enable the design of therapeutic strategies that target certain mitochondrial phenotypes.

Nous nous intéressons à la détection et au suivi d'objets biologiques divers (cellules, noyaux, etc.) dans des images et séquences tri-dimensionnelles acquises en microscopie par fluorescence. L'observation de phénomènes biologiques in situ étant de plus en plus cruciale pour les experts, il est nécessaire, en plus de l'analyse quantitative, d'effectuer un rendu volumique 3D de la scène et des objets qui y évoluent. De plus, l'automatisation des techniques d'acquisition d'images requiert un haut niveau de reproductibilité des algorithmes et induit souvent des contraintes de temps de calcul que nous nous efforçons de prendre en compte.<br /><br />Les modèles déformables, également connus sous le nom de contours actifs, font actuellement partie des méthodes de pointe en analyse d'images pour la segmentation et le suivi d'objets grâce à leur robustesse, leur flexibilité et leur représentation à haut niveau sémantique des entités recherchées. Afin de les adapter à notre problématique, nous devons faire face à diverses difficultés. Tout d'abord, les méthodes existantes se réfèrent souvent aux variations locales d'intensité (ou gradients) de l'image pour détecter le contour des objets recherchés. Cette approche est inefficace en microscopie tridimensionnelle par fluorescence, où les gradients sont très peu prononcés selon l'axe de profondeur de l'image. Ensuite, nous devons gérer le suivi d'objets multiples susceptibles d'entrer en contact en évitant leur confusion. Enfin, nous devons mettre en place un système permettant de visualiser efficacement les contours durant leur déformation sans altérer les temps de calcul.<br /><br />Dans la première partie de ce travail, nous pallions à ces problèmes en proposant un modèle de segmentation et de suivi multi-objets basé sur le formalisme des lignes de niveaux (ou level sets) et exploitant la fonctionnelle de Mumford et Shah. La méthode obtenue donne des résultats quantitatifs satisfaisants, mais ne se prête pas efficacement au rendu 3D de la scène, pour lequel nous sommes tributaires d'algorithmes dédiés à la reconstruction 3D (e.g. la méthode des "Marching Cubes"), souvent coûteux en mémoire et en temps de calcul. De plus, ces algorithmes peuvent induire des erreurs d'approximation et ainsi entraîner une mauvaise interprétation des résultats.<br /><br />Dans la seconde partie, nous proposons une variation de la méthode précédente en remplaçant le formalisme des lignes de niveaux par celui des maillages triangulaires, très populaire dans le domaine de la conception assistée par ordinateur (CAO) pour leur rendu 3D rapide et précis. Cette nouvelle approche produit des résultats quantitatifs équivalents, en revanche le formalisme des maillages permet d'une part de réduire considérablement la complexité du problème et autorise d'autre part à effectuer un rendu 3D précis de la scène parallèlement au processus de segmentation, réduisant d'autant plus les temps de calculs.<br /><br />Les performances des deux méthodes proposées sont d'abord évaluées puis comparées sur un jeu de données simulées reproduisant le mieux possible les caractéristiques des images réelles. Ensuite, nous nous intéressons plus particulièrement à l'évaluation de la méthode par maillages sur des données réelles, en évaluant la robustesse et la stabilité de quelques descripteurs de forme simples sur des expériences d'imagerie haut-débit. Enfin, nous présentons des applications concrètes de la méthode à des problématiques biologiques réelles, réalisées en collaboration avec d'autres équipes de l'Institut Pasteur de Corée.

L'imagerie du petit animal a largement évolué au fils des 10 dernières années avec notamment Le recours massif aux modèles animaux de pathologies humaines. Ce besoin d'outils pré-cliniques non invasifs a contribué et contribue toujours aux développements que nous pouvons observer en Imagerie par Résonance Magnétique, mais également en imagerie optique, acoustique ou scintigraphique. Ces développements concernent bien évidemment les<br />machines et méthodes de mesures mais sont également perceptibles aux niveaux des agents de<br />contraste IRM et ultrasonores ou des traceurs optiques et radiographiques, l'ensemble pouvant<br />être regroupé sous le terme de traceur moléculaire.<br />Dans le domaine de l'Imagerie par Résonance Magnétique qui nous intéresse plus particulièrement, du développement des traceurs moléculaires nous exclurons les modifications d'ordre hydrodynamique, qui même si elles conduisent à des spécificités<br />biologiques parfois différentes font tout de même appel à des mécanismes largement aspécifiques. Les nouvelles générations d'agents de contraste sont en fait les produits de la biologie moléculaire et de l'identification de cibles spécifiques présentent au niveau tissulaire, cellulaire voire sub-cellulaire. En effet, nous pouvons citer par exemple les agents permettant le suivi de l'expression des gènes, ceux rendus spécifiques d'une cible par vectorisation ou<br />encore ceux d'origine cellulaire obtenu par marquage magnétique d'un type cellulaire que nous regroupons sous la terminologie de magnétocellules. Ces trois familles d'agents de contraste vont autoriser le biologiste à traquer, de façon non-invasive, un type cellulaire, une fonction cellulaire et même les interactions cellules-cellules.<br />Bien que le développement de l'imagerie moléculaire soit indéniable, il est évident que l'Imagerie et de la Spectroscopie par Résonance Magnétique 'classiques' ont encore de nombreuses informations à fournir aux biologistes pour l'étude du système nerveux central,<br />cardiovasculaire, musculaire, osseux,... pathologiques, ou non chez l'animal et l'homme.<br />Par ce manuscrit, je vais présenter les travaux auxquels j'ai participé dans le cadre de recherches pré-cliniques impliquant la Résonance Magnétique Nucléaire et les modèles animaux.

La microscopie de fluorescence a récemment été complétée par une technique appelée dichroïsme linéaire résolu angulairement, basé sur le fait que l'absorption de la lumière est un processus sensible à l'orientation moléculaire. En analysant la réponse d'émission de fluorescence en fonction de l'orientation de la polarisation de la lumière excitatrice, cette technique permet de remonter à l'information d'orientation sur un ensemble de molécules fluorescentes, plus précisément son angle d'orientation moyenne et l'amplitude de ses fluctuations angulaires autour de cette moyenne. Dans cette thèse, nous mettons en oeuvre de nouvelle méthodes et instrumentations capables d'améliorer la robustesse et la rapidité de l'analyse de données de réponses résolues en polarisation, la vitesse de l'acquisition de données, et d'explorer la possibilité de mesurer l'orientation 3D de molécules. Nous proposons une méthode capable de mesurer les propriétés d'orientation de sondes lipidiques fluorescentes par l'utilisation d'un disque de Nipkow couplé à une imagerie par caméra, et combiné avec la modulation rapide de la polarisation par modulateur électro-optique. Une nouvelle méthode de traitement de données est développée pour considérablement améliorer la rapidité et la précision de l'information par une étude des sources de bruit et d'incertitude, dues au bruit et aux facteurs instrumentaux. Cette technique a été testée avec succés sur des vésicules géantes uni-lamellaires et sur cellules vivantes, marquées par les sondes lipidiques DiIC18 et di-8-ANEPPQ. Cette méthode est capable d'acquérir une information précise sur l'orientation moléculaire à une cadence d'une image par seconde. Enfin, afin de sonder de manière non ambiguë l'orientation 3D d'un ensemble de molécules, une nouvelle méthode est proposée, supportée par des simulations numériques, basée sur la variation hors plan de la polarisation d'excitation dans le volume focal par une somme cohérente de champs polarisés linéairement et radialement.