Le système lymphatique joue un rôle clé dans le transport du cholestérol hors de la paroi artérielle et une dysfonction lymphatique précède l'apparition de l'athérosclérose. Cette dysfonction est associée à une diminution de l’expression du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR) et est à priori indépendante des taux de cholestérol circulant. Il a été démontré que les souris dépourvues de la proprotéine subtilisine/kexine de type 9 (PCSK9), une proprotéine qui mène à la dégradation du LDLR, ont une fonction lymphatique améliorée, tandis que les souris dépourvues de LDLR développent une dysfonction lymphatique. Nous visons maintenant à mieux comprendre les mécanismes par lesquels la présence de PCSK9 dans la lymphe ou la modulation du LDLR sur les cellules endothéliales lymphatiques (CEL) affecte la fonction lymphatique. Les CEL sont incubées avec du PCSK9 ou traitées avec un ARN inhibant spécifiquement l’expression du LDLR afin d’évaluer comment la présence de PCSK9 ou la modulation du LDLR affecte l'intégrité des CEL. Nos résultats démontrent que le PCSK9 n’induit pas la sécrétion de cytokines inflammatoires et n'affecte pas l'expression des marqueurs lymphatiques. L’inhibition de l’expression du LDLR entraîne une diminution des marqueurs lymphatiques membranaires endothéliaux. La diminution du LDLR a aussi entrainé une diminution des taux de certains lipides intracellulaires et en particulier des phospholipides, des sphingolipides et des triglycérides. Ces résultats suggèrent qu'une perte du LDLR, mais pas la présence de PCSK9 en circulation, pourrait induire à une altération de l'endothélium lymphatique causée par une diminution de l’expression de protéines membranaires essentielles au bon transport de la lymphe. / The lymphatic system plays a key role in the removal of cholesterol from the artery wall and lymphatic dysfunction is known to occur prior to the onset of atherosclerosis. This dysfunction is associated with reduced expression of the low-density-lipoprotein receptor (LDLR) and is first independent of circulating cholesterol levels. It has been shown that mice lacking proprotein subtilisin/kexin type 9 (PCSK9), a proprotein that degrades LDLR, have improved lymphatic function while mice lacking LDLR had a lymphatic dysfunction. We now aim to better understand the mechanisms by which the presence of PCSK9 in lymph or the modulation of LDLR on lymphatic endothelial cells (LECs) affects lymphatic function. Incubation of LECs with PCSK9 and specific targeting of LDLR expression with silencing RNAs were used to further evaluate how PCSK9 or modulation of LDLR affect the metabolism and integrity of LECs. Our results demonstrate that PCSK9 does not induce the secretion of inflammatory cytokines and does not affect the expression of lymphatic markers. LDLR silencing RNA leads to a decrease of membrane-bound lymphatic endothelial cell markers. A decrease in LDLR expression also led to a decrease in the content of some intracellular lipids and particularly phospholipids, sphingolipids and triglycerides. These results suggest that loss of LDLR expression, but not circulating PCSK9, could lead to alterations in the lymphatic endothelium caused by loss of membrane integrity which could in turn affect lymph transport.

Les petites GTPases RAS alternent entre une forme inactive liée au GDP et une forme active liée au GTP. Ce mécanisme permet aux protéines RAS de transmettre les signaux des récepteurs se trouvant à la surface cellulaire vers divers réseaux de signalisation en aval. La protéine RAS joue un rôle important dans plusieurs fonctions biologiques, notamment la prolifération cellulaire, la survie cellulaire et même l'apoptose. Les mutations des gènes de la famille RAS sont retrouvées dans environ un tiers des tumeurs. HRAS, KRAS et NRAS, les trois principaux homologues de la protéine RAS, sont principalement mutées au niveau des codons 12, 13 ou 61. Les mutations avec un effet de gain de fonction au niveau de ces codons rendent ces protéines RAS constitutivement actives et sont à l’origine des signaux hyperprolifératifs. Depuis la découverte de la protéine RAS, de nombreuses "protéines effectrices RAS" agissant en aval ont été identifiées. Le rôle biologique de la plupart de ces effecteurs RAS est lié à la prolifération et à la survie des cellules. Cependant, au cours des deux dernières décennies une nouvelle famille d'effecteurs RAS, les protéines RASSF, a été découverte comme ayant une fonction pro-apoptotique. Les protéines suppresseures de tumeurs de la famille RASSF sont fréquemment inhibées dans les cellules cancéreuses humaines. Il existe 10 homologues de RASSF (RASSF1-10) chez humain, chacun comprenant un domaine d'association RAS (RA) impliqué dans la liaison avec les GTPases RAS. Plusieurs RASSF comportent également les domaines SARAH (Salvador-RASSF-Hippo), connus pour interagir avec les kinases Hippo contenant aussi les domaines SARAH. On ne sait toutefois pas si toutes les protéines RASSF sont de véritables effecteurs RAS. Il a été démontré qu'un seul membre de la famille RASSF, appelé RASSF5, s'associe directement à HRAS et cette interaction a été validée par des études cristallographiques à rayons X. Dans la première partie de cette thèse, je démontre qu'aucun autre membre de la famille RASSF n'interagit directement avec KRAS. En me servant de la modélisation par l'homologie du domaine RA hautement apparenté de RASSF1, j’ai identifié les acides aminés essentiels pour l’interaction avec la GTPase. Je démontre que la substitution d’un seul acide aminé dans la protéine RASSF1 permet l'interaction avec KRAS, et je pose l'hypothèse que ce résidu, ayant divergé au cours de l'évolution, a modifié la spécificité de RASSF1 pour les petites GTPases. En utilisant une approche informatique, nous avons prédit six GTPases candidates que pourraient interagir avec RASSF1 : GEM, REM1, REM2, RASL12, ERAS et DIRAS3. J'ai validé les interactions avec plusieurs GTPases RGK (GEM, REM1, REM2) et j’ai démontré que la co-expression des GTPases RGK avec RASSF1 active la voie Hippo. Ainsi, je propose un nouveau lien entre ces GTPases peu étudiées et la régulation de la voie de signalisation Hippo. Dans la deuxième partie de ma thèse, je tente de rediriger la signalisation de prolifération cellulaire de KRAS (RAF/MAPK) vers une signalisation impliquant les effecteurs pro-apoptotiques (RASSF-Hippo). Pour y parvenir, j'ai conçu des mutations dans KRAS dans le but d’augmenter son affinité pour RASSF5 et d’affaiblir son interaction avec BRAF. Comme deuxième stratégie, j'ai remplacé les résidus divergents de l'effecteur RASSF1 par les résidus correspondants de RASSF5 et j’ai démontré que cette variante de RASSF1 est capable de lier KRAS. Diverses approches biophysiques et biochimiques ont été utilisées pour valider KRAS et RASSF1 mutés, impliquées dans cette signalisation redirigée. Les études de co-localisation montrent que ces mutants interagissent avec leurs nouveaux partenaires comme prévu. D’autre part, je démontre par les expériences intracellulaires que KRAS modifiée ne lie plus BRAF tout en interagissant fortement avec RASSF5 et RASSF1, et que les mutants établis activent la voie Hippo. Ainsi, j'ai développé deux approches qui nous aideront à étudier la signalisation de KRAS dans la voie pro-apoptotique impliquant RASSF en absence de l’activation de la voie des MAP kinases. Les données présentées ici nous permettent de mieux comprendre la manière dont les protéines RASSF ont divergé au cours de l'évolution; cette divergence leur empêchant d’interagir avec les RAS. Ces données fournissent également une stratégie innovante pour rediriger les signaux RAS vers les effecteurs RASSF, qui pourrait être utilisée comme nouvelle stratégie dans les études cliniques utilisant RAS comme cible thérapeutique. / RAS small GTPases function as molecular switches to transduce signals from cell surface receptors to various downstream signalling networks. The RAS protein has roles in multiple biological functions, including cell proliferation, survival, and even apoptosis. Mutations in RAS genes are present in up to 30% of all human tumors. The three major RAS homologs HRAS, KRAS, and NRAS are each found mutated, predominantly at codons 12, 13 or 61. Gain-of-function mutations at these codons render these RAS proteins constitutively active and thereby produce hyperproliferative signals. Since the discovery of RAS, numerous downstream ‘RAS effector proteins’ have been identified. The biological role of most identified RAS effectors relates to cell proliferation and survival, however, in the past two decades a new family of RAS effectors, RASSF proteins, were discovered to have a pro-apoptotic function. The RASSF family of tumor suppressors proteins are frequently downregulated in human cancer cells. There are 10 RASSF homologs (RASSF1-10) in humans, each comprising a RAS association (RA) domain presumed to bind RAS GTPases. RASSF also encode SARAH (Salvador-RASSF-Hippo) domain, known to interact with SARAH-containing Hippo kinases. It is not clear whether all the RASSF proteins are true RAS effectors. Only a single family member, RASSF5, has been shown to directly associate with HRAS and this interaction has been completely validated by X-Ray crystallographic studies. In the first part of this thesis, I demonstrate that no other RASSF family members directly interact with KRAS. I used homology modelling of the highly related RASSF1 RA domain to identify amino acids crucial to GTPase binding. I show that a single amino acid substitution in RASSF1 enables interaction with KRAS, and hypothesize that this evolutionarily diverged residue has altered RASSF1 specificity for small GTPases. Using an informatics approach, we predicted six candidate GTPases that could interact with RASSF1: GEM, REM1, REM2, RASL12, ERAS and DIRAS3. I validated interactions with several RGK GTPases (GEM, REM1, REM2) and show that co-expression of RGK GTPases with RASSF1 activates the Hippo pathway. Thus, I show a novel link between these unstudied GTPases to Hippo pathway regulation. In the second part of my thesis I attempt to rewire KRAS signalling from cell proliferation pathways (RAF/MAPK) to pro-apoptotic effectors (RASSF-Hippo). To achieve this, I designed mutations in KRAS that augmented its affinity for RASSF5 and weakened interaction with BRAF. As a second strategy, I reverted evolutionarily diverged residues in the RASSF1 effector to corresponding residues in RASSF5 and demonstrate that this variant now binds KRAS. Various biophysical and biochemical approaches were used to validate both the KRAS and RASSF1 rewired mutants, and co-localization studies show that these mutants interact with their new binding partners as predicted. Further, I demonstrate that our rewired KRAS no longer binds BRAF in cells but interacts strongly with RASSF5 and rewired RASSF1, and that the rewiring mutants activate the Hippo pathway. Thus, I have developed two rewiring approaches that will help us to study KRAS signalling towards pro-apoptotic RASSF pathway in the absence of strong MAP kinase activation. The data presented here provide several novel insights into how RASSF proteins diverged through evolution and are not all direct effectors of RAS. In addition, I present an innovative rewiring strategy to couple RAS signals towards RASSF effectors which can be a clinical tactic to target RAS oncogenesis.

La polarisation des cellules est essentielle à la division cellulaire asymétrique, la migration cellulaire, la fonction neuronale et le développement embryonnaire. Elle peut se faire par le mécanisme de localisation des ARNm dans des compartiments cellulaires spécifiques. Bien que le mécanisme de localisation des ARNm soit assez bien défini dans tous les types cellulaires, son implication dans le développement du cancer n'a pas été caractérisée. Une étude de séquençage direct de l'ARN, réalisée sur des cellules métastatiques (HCCLM3) du carcinome hépatocellulaire (CHC) a déterminé qu'au niveau de leurs protrusions, certains ARNm y sont enrichis, alors qu'aux protrusions des cellules CHC non-métastatiques SMMC7721, ces ARNm n’y sont pas enrichis. L'ARNm qui encode pour le facteur de transcription STAT3 figure parmi ceux identifiés comme étant enrichis. La technique du smiFISH a été utilisée pour valider l'enrichissement de l'ARNm STAT3 au niveau des protrusions des cellules CHC associées à un phénotype métastatique. Les résultats obtenus démontrent que l'essai de déplétion de sérum permet d'induire la migration des cellules SMMC7721, HCCLM3 et MHCC97H, qui forment des protrusions de type lamellipode. En parallèle, l'expression de l'α-actinine-GFP a permis de visualiser les régions protrusives et de les délimiter. Les expériences de smiFISH et les mesures d'expression relative par RT-qPCR ont révélé que les cellules métastatiques HCCLM3 et MHCC97H expriment peu d'ARNm STAT3, comparativement aux cellules non-métastatiques SMMC7721. De plus, les quantifications absolues de l'enrichissement démontrent que dans toutes les lignées CHC, les molécules d'ARNm STAT3 uniques localisent majoritairement au niveau des corps cellulaires, et très peu dans les protrusions. Le ratio du nombre de molécules d'ARNm STAT3 uniques localisées dans les protrusions sur le nombre de molécules uniques localisées dans les corps cellulaires est nettement plus petit pour les cellules HCCLM3 et MHCC97H que pour les cellules SMMC7721. La densité de l'ARNm STAT3 / unité de surface dans les protrusions des cellules HCCLM3 et MHCC97H est inférieure à celle des cellules SMMC7721. Ensemble, ces résultats confirment qu'il n'y a pas d'enrichissement de l'ARNm STAT3 aux protrusions des cellules CHC associées à un phénotype métastatique. / Subcellular mRNA localization regulates cell polarization. Asymmetric distribution of transcripts is important in cell division, cell migration, neuronal function and embryonic development. In all cell types, the mechanisms of mRNA localization are well defined, but their involvement in cancer development is still unknown. A recent study has identified protrusion-localized STAT3 mRNA in metastatic hepatocarcinoma cells (HCCLM3). In comparison, the STAT3 mRNA was not found to be enriched in the non-metastatic cells (SMMC7721) protrusions. The enrichment of the STAT3 mRNA at the protrusions of HCC cells associated with a metastatic phenotype was studied by smiFISH. Our results showed that the serum starvation assay induced lamellipodia-based migration in SMMC7721, HCCLM3 and MHCC97H cells. Also, expression of GFP-α-actinin allowed to mark the protrusive regions of migrating HCC cells. The smiFISH results and RT-qPCR quantification revealed that the metastatic cells (HCCLM3 and MHCC97H) express lower levels of STAT3 mRNA compared to the non-metastatic cells (SMMC7721). Absolute quantification of localization and enrichment revealed that STAT3 mRNA mainly localizes in the cell bodies of all HCC cell lines. The ratio of the number of single molecules of STAT3 mRNA localized in the protrusions on the number of single molecules localized in the cell bodies is smaller for the metastatic cells than the non-metastatic cells. In the metastatic cells protrusions, the density of STAT3 mRNA / unit of surface was found the be lower than the non-metastatic cells. Altogether, these results confirm that there is no enrichment of STAT3 mRNA at the protrusions of metastatic HCC cells.

La néphropathie diabétique est l’une des complications les plus fréquentes chez les patients diabétiques à long terme, et est la première cause du besoin de dialyse. Les lésions glomérulaires semblent jouer un rôle clé dans le développement de la néphropathie diabétique. L’épaississement de la membrane basale glomérulaire, l’hypertrophie des cellules glomérulaires et la perte de podocytes font partie des principaux changements pathologiques survenant au cours de la néphropathie diabétique et peuvent conduire à une protéinurie. Il a été suggéré que le dysfonctionnement endothélial joue un rôle important dans la pathogenèse des lésions glomérulaires au cours de la maladie rénale diabétique. En effet, l’altération de la fonction et de l’intégrité des cellules endothéliales glomérulaires est l’une des principales causes de la microalbuminurie observée dans l’insuffisance rénale diabétique précoce. Les lésions des cellules endothéliales glomérulaires peuvent endommager les podocytes et même induire une perte podocitaire ce qui aggrave d’avantage les liaisons des cellules endothéliales glomérulaires et ainsi de suite. Actuellement, les traitements de la néphropathie diabétique visent le contrôle de la glycémie et de la pression artérielle dans le but de maintenir un bon débit de filtration glomérulaire. Cependant, l’étude de traitements pouvant cibler les lésions endothéliales ou les interactions podocyte-cellule endothéliales, qui jouent un rôle essentiel dans la progression de la maladie rénale diabétique, est nécessaire. Les traitements ciblant l’endothélium glomérulaire pourraient offrir des avantages thérapeutiques pour la néphropathie diabétique. En effet, des facteurs anti-angiogéniques tels que les inhibiteurs du VEGF pourraient prévenir les lésions rénales et les altérations glomérulaires sur des modèles de souris diabétiques. Cependant, d’autres données ont montré que des injections d’inhibiteurs du VEGF pouvaient être néfastes pour les cellules endothéliales et podocytaires. Ainsi, de nouvelles molécules ciblant l’endothélium vasculaire pourraient améliorer le pronostic et la qualité de vie chez les patients présentant une insuffisance rénale diabétique à un stade précoce. Nous avons précédemment montré que Alk1, avec son ligand BMP9, joue un rôle important dans le maintien de l’intégrité vasculaire chez les animaux diabétiques. En effet, 4 la perte de signalisation d’Alk1 chez les animaux diabétiques conduit à la dissociation des jonctions vasculaires et à une augmentation des fuites vasculaires dans la rétine. Compte tenu de son rôle dans le maintien de la quiescence et de l’intégrité de l’endothélium, nous avons évalué les effets de la surpression d’Alk1 sur l’intégrité de l’endothélium glomérulaire et la fonction rénale chez la souris diabétique. Nous avons utilisé des souris avec délétion conditionnelle de Alk1 dans l’endothélium (Alk1ΔEC) pour évaluer le rôle de Alk1 dans la filtration glomérulaire chez des souris diabétiques induits par le STZ. Les souris ont été euthanasiées quatre mois après le début du diabète et des analyses sérologiques et urinaires ont été effectuées, ainsi que des études immunohistochimiques. Nous avons démontré que l’haplo-insuffisance d’Alk1 aggrave la microalbuminurie et induit une perte de podocytes chez des souris diabétiques. De plus, une augmentation significative de l’apoptose glomérulaire a été observée chez les souris Alk1ΔEC hétérozygotes diabétiques. L’analyse de souris Alk1ΔEC homozygotes non diabétiques a également révélé une perte importante de cellules endothéliales glomérulaires. Ensemble, ces données suggèrent que la signalisation du récepteur Alk1 joue un rôle essentiel dans le maintien des cellules endothéliales glomérulaires et participe au maintien de l’intégrité glomérulaire à travers un mécanisme de podocyte-endothelial cross-talk. / Diabetic kidney disease one of the most frequent microvascular long-term complications in diabetic patients and is the first cause for the need for dialysis. The glomerular damage seems to play a key role in the development of diabetic nephropathy. Thickening of the glomerular basement membrane, glomerular cell hypertrophy, and podocyte loss is among the main pathological changes occurring during diabetic nephropathy and can lead to proteinuria. Endothelial dysfunction has been suggested to play an important role in the pathogenesis of glomerular damage during diabetic kidney disease. Indeed, alteration of the glomerular endothelial cell function and integrity is a leading cause of microalbuminuria observed in early diabetic kidney disease. Injury to glomerular endothelial cells may lead to podocyte damage, while podocyte loss further exacerbates glomerular endothelial cell injury, forming a vicious cycle. Currently, therapies in diabetic nephropathy are focusing on glycemia control and adequate arterial pressure levels in order to maintain an adequate glomerular filtration rate. However, the study of some treatments that may target endothelial lesions or podocyte-endothelial cell interactions, which play a vital role in the progression of diabetic kidney disease is necessary. It has been suggested that antiangiogenic treatments for diabetic kidney disease could provide therapeutic benefits. Indeed, anti-angiogenic factors such as VEGF inhibitors have been demonstrated to suppress renal damage and glomerular alterations in a diabetic mouse model. However, some other data have shown that anti-VEGF injections could be detrimental for podocytes and endothelial cells. Thus, new molecules targeting the vascular endothelium could possibly improve prognosis and quality of life in patients with early stages of diabetic kidney disease. We have previously shown that Alk1, along with its ligand BMP9, plays an important function to maintain vascular integrity in diabetic animals. Loss of Alk1 signaling in diabetic animals led to dissociation of vascular junctions and increased vascular leakage. Given its role in the maintenance of endothelial quiescence and integrity, we evaluated the effects of Alk1 suppression on kidney integrity and renal function in diabetic mice. 6 We used mice with conditional deletion of Alk1 in the endothelium (Alk1ΔEC) to evaluate the role of Alk1 in glomerular filtration in STZ-induced diabetic mice. Mice were euthanized four months after the onset of diabetes and urine, and serological analyzes were performed, along with immunohistochemical studies. We demonstrated that Alk1 haploinsufficiency worsens microalbuminuria and induces podocyte loss. Furthermore, a significant increase in glomerular apoptosis was observed in Alk1ΔEC mice. Analysis of homozygous Alk1ΔEC mice also revealed a significant loss of glomerular endothelial cells. Together, these data suggest that Alk1/BMP9 signaling plays a critical role in the maintenance of glomerular endothelial cells and has important functions to maintain glomerular integrity through a crosstalk podocyte-endothelial mechanism.

Il est à ce jour bien établi que la régulation de l’expression génique dépend en grande partie des évènements post-transcriptionnels et que la traduction des ARNm tient un rôle de premier plan dans ces processus. Elle est particulièrement importante pour définir le protéome, maintenir l’homéostasie et contrôler la croissance et la prolifération cellulaire. De nombreuses pathologies humaines telles que le cancer découlent de dérèglements de la synthèse protéique. Ceci souligne l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires contribuant au contrôle de la traduction des ARNm. Le facteur d’initiation eIF4E est essentiel à la traduction et son activité est régulée par ses partenaires protéiques dont font partie les protéines 4E-BP et 4E-T. Les voies de signalisation PI3K/mTOR et MAPK qui sont fortement impliquées dans l’étiologie du cancer, contrôlent la traduction en modulant l’activité d’eIF4E via l’inhibition des protéines 4E-BP et la localisation de 4E-T. Afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes régulant la traduction des ARNm, nous avons utilisé plusieurs approches. Tout d’abord, nous avons caractérisé les mécanismes par lesquels le complexe mTORC1 est activé en réponse aux facteurs de croissance et avons déterminé que la kinase RSK, en aval de la voie Ras/ERK, contrôle directement l’activité de mTORC1 en phosphorylant Raptor, la sous-unité régulatrice du complexe mTORC1. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés au rôle joué par mTORC1 dans l’initiation de la traduction. Pour cela, nous avons réalisé un criblage protéomique dans le but d’identifier de nouveaux facteurs sous le contrôle de mTORC1 qui participent activement à la traduction. Ces travaux ont ainsi permis l’identification de la protéine de liaison à l’ARN LARP1 comme effecteur majeur de la traduction des ARNm et de la croissance cellulaire en aval de mTORC1. Finalement, notre étude de l’effet du stress oxydant dans la répression de la traduction nous a permis de montrer que la kinase JNK contrôle la localisation du répresseur 4E-T au sein des P-bodies, qui sont des granules cytoplasmiques concentrant des ARNm non traduits et des facteurs de la dégradation des ARNm. Nos travaux ont donc abouti à la découverte de mécanismes moléculaires cruciaux impliqués dans la régulation de la traduction des ARNm et de la synthèse protéique. Ces derniers étant largement impliqués dans la prolifération cellulaire et la croissance tumorale, nos recherches ouvrent sur un champ d’investigation plus large pour le développement de nouvelles molécules anti-cancéreuses. / It is now well established that gene expression is predominantly regulated by post-transcriptional events and that mRNA translation plays an essential role in this process. Translation of mRNAs is especially important in defining the proteome, maintaining homeostasis and controlling cell growth and cell proliferation. Several human diseases such as cancer are associated with aberrant regulation of protein synthesis highlighting the need to better understand the molecular mechanisms contributing to translational control. The translation initiation factor eIF4E is a key component of the translational machinery whose activity is controlled by its partners, the 4E-BP and 4E-T proteins. The PI3K/mTOR and MAPK signaling pathways, which are strongly implicated in cancer etiology, control mRNA translation by modulating eIF4E activity through the inhibition of the 4E-BPs and the regulation of eIF4E localization by 4E-T. In order to better understand how mRNA translation is regulated we used several approaches. First, we characterized the mechanisms contributing to mTORC1 activation in response to growth factor. We found that the kinase RSK, that lies downstream of the Ras/ERK pathway, directly controls mTORC1 activity by phosphorylating Raptor, the regulatory sub-unit of the complex. This provides evidence of an additional mechanism by which MAPK pathway regulates mTORC1. We next performed a proteomic screen to identify novel mTOR-regulated factors that actively participate in translation. This approach led to the identification of several candidate proteins which included the RNA-binding protein LARP1 that we found to be a major effector of mTORC1-mediated mRNA translation, cell growth and proliferation. Finally we investigated the impact of oxidative stress on translation inhibition and found that the JNK kinase controls 4E-T localization in P-bodies that are cytoplasmic granules containing non-translating mRNAs and proteins from the mRNA decay and silencing machineries. Together this work provides important novel insights into the regulation of mRNA translation and protein synthesis that represent processes strongly connected to tumorigenesis and brings precious information on the mechanisms by which signaling pathways control cell growth and proliferation.

La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers. / Receptor tyrosine kinase (RTK) signaling plays an essential role in modulating cell growth, proliferation, differentiation and motility. Abnormal regulation of RTKs results in many human diseases, including breast cancer, the second leading cause of cancer mortality in women by the frequent amplification and mutation of the HER2 (ERBB2) tyrosine kinase. The Grb2-associated binder (Gab) 2 is an adaptor protein that acts downstream of several RTKs, including HER2, to regulate multiple signaling pathways. In response to the stimulation of a number of growth factors and cytokines, Gab2 is recruited to the plasma membrane, where it potentiates the activation of the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) and PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B) pathways. In addition to playing an important role in the hematopoietic system during development, GAB2 is often amplified in cancers including breast cancer and melanoma, however, little is known about the molecular mechanisms that regulate Gab2 function. It has been well established that upon RTKs activation, Gab2 becomes phosphorylated on several Tyr residues leading to diverse adaptor protein associations, such as p85 and Shp2. Aside from the tyrosine phosphorylation, our lab and other groups noticed that Gab2 is also phosphorylated on Ser/Thr residues upon activation of MAPK signaling. However, less is known about this post-translational modification in the regulation of Gab2 functions. In order to understand how Gab2 is regulated by the MAPK pathway, we used different approaches. In the first part of my thesis, we determined a new mechanism by which the Ras/MAPK pathway through RSK (p90 ribosomal S6 kinase) phosphorylated Gab2 on three conserved Ser/Thr residues, both in vivo and in vitro. Mutation of these phosphorylation sites promoted Shp2 recruitment leading to increased cell motility, suggesting that RSK restricts Gab2-dependent functions as a result of participation in the negative feedback loop of MAPK signaling. In the second part of the thesis, we found that ERK1/2 phosphorylated Gab2 on several potential pS/T-P residues, both in vivo and in vitro, resulting in inhibited p85 recruitment. In addition, to the best of our knowledge, we established for the first time that Gab2 physically interacted with ERK1/2 in cells upon activation of the MAPK pathway. Furthermore, we revealed a novel ERK1/2 docking domain in Gab2. Mutation of the essential residues in this docking domain not only disrupted ERK1/2-Gab2 interaction, but also diminished ERK1/2-dependent phosphorylation on Gab2. Taken together, our data showed that the MAPK pathway regulates Gab2 functions through both RSK- and ERK1/2-dependent manners. Given that Gab2 is overexpressed in several cancers, this thesis decodes a complete figure of modulating actions of Gab2 by MAPK signaling in cancer development.

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique. / Asymmetric cell division is a crucial step in organism development, as it allows the generation of cellular diversity. In order to achieve asymmetric division cells need to polarize their cell fate determinants and properly orient their mitotic spindle before division. The C. elegans embryo is a powerful and widely used model to study asymmetric cell division. In the embryo the sperm entry site determines the anterior-posterior axis of polarity. In the newly fertilized embryo, shortly after meiosis, the cortex is uniformly contractile and the conserved PAR-3/PAR-6/PKC-3 complex (hereafter referred to as the PAR-3 complex) is localised on the entire cortex. Entry of the sperm triggers posterior smoothening and anterior-directed cortical flows. Asymmetric cortical contractions result in the formation of an anterior domain containing the PAR-3 complex, while the posterior-pole cortex, depleted of the PAR-3 complex, is enriched in PAR-2 and PAR-1 proteins. Therefore PAR domains define an anterior and a posterior pole of the embryo in response to cytoskeleton remodelling. The PAR-4 and PAR-5 proteins remain localized uniformly throughout the embryo. Intriguingly, the PAR proteins exert a feedback regulation on cortical contractility. PAR-5, one of the lately identified PAR proteins, was shown to be an ortholog of the adaptor protein 14-3-3 and to play an important role in cortical contractility. Despite its central role in cortical contractility and henceforth the polarization process, little is known on how PAR-5 regulates cortical contractility. The aim of this project is to better understand the regulation of cortical contractions via the PAR-5 protein and its interactors, and how they control cell polarity. In a GST pull down assay we identified several new interactors of PAR-5. Among these we found CAP-2 (actin capping protein), which was also pulled down with 14-3-3 in three different model systems. CAP-2 has been implicated in actin regulation. Interestingly we found that depletion of CAP proteins by RNA interference in wild type worms results in increased embryonic lethality, suggesting an important role in embryonic development. Live imaging of embryos depleted of CAP proteins shows that these embryos have decreased cortical contractions with a less stable pseudo cleavage furrow, indicating a defect in the regulation of the actin-myosin cytoskeleton. This was further confirmed by the decreased velocity and the number of NMY-2::GFP foci in CAP depleted embryos. Furthermore, these embryos show mild decrease in PAR-2 domain size during the polarity establishment phase. cap-2(RNAi) embryos also show a delay in cell cycle progression, however the role of the cell cycle delay in the regulation of cortical contractions has to be determined. The characterization of CAP proteins, which are cytoskeleton-remodeling regulators, will improve our understanding of the mechanisms underling the establishment and maintenance of cell polarity, and thereby asymmetric cell division.

KRAS est parmi les gènes les plus fréquemment mutés dans les cancers humains, tel que ~ 45% des cancers colorectaux (CCR). Malgré les efforts déployés pour réduire son potentiel oncogénique, KRAS muté est fréquemment associé à la résistance aux médicaments et est extrêmement difficile à cibler sur le plan thérapeutique. Les protéines à la surface cellulaire sont souvent dérégulées dans les cancers et sont des cibles thérapeutiques attrayantes en raison de leur accessibilité aux anticorps. Nous avons séquençé les ARNm de cellules épithéliales intestinales exprimant KRAS muté et observé que ces dernières présentaient des changements importants dans les gènes codant pour des protéines de surface cellulaire. Par conséquent, notre objectif était d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques exprimées à la surface de cellules transformées par l’oncogène KRAS. En utilisant une approche de pointe en protéomique de surface cellulaire, nous avons identifié plusieurs protéines différentiellement exprimées dans les cellules avec KRAS muté par rapport à leurs homologues de type sauvage. Nous avons ensuite effectué un crible CRISPR/Cas9 basé sur les protéines de surface cellulaire, qui a révélé que la perte de la protéine Atp7a affectait de manière différentielle les cellules épithéliales intestinales, en fonction de leur statut KRAS. De façon intéressante, nous avons constaté que ATP7A était régulé à la hausse dans les cellules avec KRAS muté par rapport à leurs homologues de type sauvage. ATP7A a un double rôle dans les cellules; alors qu'il est essentiel pour la maturation des enzymes dépendantes du cuivre (Cu), ATP7A protège les cellules d'une toxicité excessive induite par le Cu (cuproptose). Chez l'homme, les mutations dans ATP7A entraînent des troubles caractérisés par des déficiences systémiques dans le transport et les niveaux de Cu. Chez les animaux et dans les modèles de culture cellulaire, tel que les cellules épithéliales intestinales, les niveaux intracellulaires de Cu sont directement corrélés avec l'abondance post-transcriptionnelle d'ATP7A. Dans le même ordre d'idées, nous avons observé que les cellules de CCR avec KRAS muté avaient relativement plus de Cu intracellulaire, et la surexpression d'ATP7A protégeait les cellules KRAS muté de la cuproptose, par rapport à leurs homologues de type sauvage. Nous avons également observé que la croissance in vivo des xénogreffes KRAS mutées était réduite lorsque les souris étaient nourries avec un régime pauvre en Cu. Le Cu est utilisé par plusieurs enzymes qui régulent des fonctions cellulaires critiques, notamment la respiration mitochondriale, la motilité cellulaire et la prolifération. Nous montrons que les cellules mutantes KRAS étaient plus sensibles au chélateur de Cu, ammonium tetrathiomolybdate (TTM), par rapport aux cellules de type sauvage. De plus, les cellules avec KRAS muté traitées avec le TTM ont présenté des activités réduites de MEK1/2 dépendant du Cu et de l'enzyme de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale, cytochrome c oxidase (CCO). Nous avons été surpris de constater que le transporteur de Cu de haute affinité, CTR1, est régulé à la baisse dans les cellules avec KRAS muté, et avons donc émis l'hypothèse que les cellules KRAS mutées doivent absorber le Cu par d'autres moyens. Ainsi, nous avons constaté que la macropinocytose agit comme une voie non canonique d'approvisionnement en Cu dans les cellules avec KRAS muté. Le traitement de cellules in vivo avec l'inhibiteur de la macropinocytose, EIPA, a inhibé l'expression d'ATP7A et diminué le Cu biodisponible dans les xénogreffes KRAS mutées. En conclusion, nos résultats montrent que les cellules avec KRAS muté augmentent les niveaux de Cu et d'ATP7A pour soutenir la tumorigenèse en augmentant l'activité cuproenzymatique et diminuant la cuproptose. Cette étude est pertinente pour le cancer, car les tissus tumoraux contiennent fréquemment des niveaux de Cu plus élevés que les tissus normaux. Des études récentes ont mis en évidence un potentiel de repositionnement du chélateur de Cu TTM, qui est disponible en clinique et utilisé pour traiter les troubles du Cu. Nos résultats démontrent que la biodisponibilité du Cu pourrait être exploitée pour traiter le CCR avec KRAS muté avec de tels inhibiteurs. Les travaux futurs comprennent l'identification de stratégies combinatoires qui peuvent être améliorer les effets anti-cancéreux de la chélation du Cu. / KRAS is amongst the most frequently mutated genes driving human cancers, including ~ 45% of colorectal cancers (CRC). Despite intense efforts to curb its oncogenic potential, mutant KRAS is frequently associated with drug resistance and is extremely challenging to target therapeutically. Cell-surface proteins are often spatially dysregulated in cancers and are attractive therapeutic targets due to their easy accessibility. We performed RNA sequencing of mutant KRAS-expressing intestinal epithelial cells and observed that cells undergoing transformation exhibited dramatic changes in cell surface-coding genes. Therefore, our goal was to identify novel druggable targets expressed at the cell surface of mutant KRAS-transformed cells. Using a cutting-edge cell surface proteomics approach, we identified several differentially expressed proteins at the surface of KRAS-mutant cells compared to wild-type counterparts. We then performed a cell surface based CRISPR/Cas9 screen, which revealed that loss of the copper exporter Atp7a differentially affected the fitness of intestinal epithelial cells, depending on their KRAS status. Interestingly, we found that ATP7A was upregulated in KRAS-mutant cells compared to wild-type counterparts. ATP7A has a dual role in cells; while it is essential for maturation of copper (Cu)-dependent enzymes, ATP7A protects cells from excess Cu-induced toxicity (cuproptosis). In humans, ATP7A mutations result in disorders characterized by systemic deficiencies in Cu transport and levels. In animals and in tissue culture models, including intestinal epithelial cells, intracellular Cu levels are directly correlated with the post-transcriptional abundance of ATP7A. In line with this, we observed that KRAS-mutant CRC cells and tissues had relatively more intracellular Cu, and ATP7A-overexpression protected KRAS-mutant cells from cuproptosis, compared to wild-type counterparts. We also observed that in vivo growth of KRAS-mutant xenografts was reduced when mice were fed a Cu-deficient diet. Cu is utilized by several enzymes that regulate critical cellular functions including mitochondrial respiration, cell motility and proliferation. We show that KRAS-mutant cells were more sensitive to the Cu chelating drug ammonium tetrathiomolybdate (TTM), compared to wild-type cells. Moreover, TTM-treated KRAS-mutant cells displayed reduced activities of Cu-dependent MEK1/2 and mitochondrial electron transport chain enzyme, cytochrome c oxidase (CCO). We were surprised to find that the high-affinity CTR1 importer is downregulated in KRAS-mutant cells, and so we hypothesized that KRAS cells must uptake Cu through alternate means. In accordance with this, we found that macropinocytosis acts as a non-canonical Cu-supply route in KRAS-mutant cells. In vivo, treating cells with the macropinocytosis inhibitor EIPA, inhibited the expression of ATP7A and decreased bioavailable Cu in KRAS xenografts. In conclusion, our results show that KRAS-mutant cells increase Cu and ATP7A levels, likely to support tumorigenesis by elevating cuproenzymatic activity and parallelly dealing with cuproptosis. This study is relevant to cancer as tumor tissues and patients contain higher Cu levels than normal controls. Recent studies have highlighted a potential for repurposing the clinically available copper chelator TTM, which is used to treat Cu disorders. Our results demonstrate that copper bioavailability could be exploited to treat KRAS-mutated CRC with such inhibitors. Future work includes identification of combinatorial strategies that may be synthetic lethal to copper chelation.

Introduction: Le dalcétrapib est un inhibiteur de la protéine de transfert des esters de cholestérol (CETP) qui augmente le niveau du cholestérol-HDL. Des études d’association pangénomiques ont révélé une association entre les polymorphismes du gène adénylate cyclase de type 9 (ADCY9) et les réponses au dalcétrapib. Le but de cette étude était d’identifier le polymorphisme nucléotidique (SNP) causal, ce qui pourrait mener à comprendre le mécanisme moléculaire modifiant les effets du dalcétrapib sur les bénéfices cardiovasculaires. Méthodes: Des essais d’EMSA (electrophoretic mobility shift assay) ont été réalisés afin d’analyser les effets modificateurs de douze SNPs candidats sur la liaison de protéines nucléaires, provenant de cellules monocytaires THP-1. Ensuite, des essais de transfections avec un gène rapporteur ont été utilisées pour évaluer l’effet transcriptionnel de ces SNPs. La liaison des protéines au SNP rs12920508 a par la suite été étudiée par des chromatographies d’affinité d’ADN suivies par des spectrométries de masse et par MC-EMSA (multiplexed competitor EMSA). Résultats: Sept sur douze SNPs ont démontré une liaison spécifique à un allèle qui n’a pas été influencée par l’exposition des cellules au dalcétrapib. Le résultat des transfections de vecteurs rapporteurs dans les cellules THP-1 a montré que les constructions plasmidiques portant les variants rs1967309 et rs12920508 augmentaient l’activité transcriptionnelle. Onze protéines ont été identifiées comme des candidats potentiels pouvant se lier à la région du SNP rs12920508. De plus, la région contenant les deux variants rs1967309 et rs12920509 a présenté une activité transcriptionnelle accrue et significativement plus élevée pour l’haplotype délétère. Conclusion: Le polymorphisme rs1967309 semble causer la majorité des effets fonctionnels dans la lignée cellulaire THP-1. Cependant, une interaction avec le SNP rs12920508 ou la présence de la région de ce SNP pourrait être nécessaire pour l’activité optimale de rs1967309. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour élucider le lien entre le SNP potentiellement causal et les réponses cardiovasculaires induites par le dalcétrapib. / Introduction: Dalcetrapib is a cholesteryl ester transfer protein (CETP) inhibitor that increases the circulating level of HDL-cholesterol. Genome-wide association studies have revealed an association between polymorphisms found in the adenylate cyclase type 9 (ADCY9) gene and responses to dalcetrapib, including its cardiovascular benefits. The purpose of this study was to identify the causal single nucleotide polymorphisms (SNP) which could lead to understand the molecular mechanisms altering dalcetrapib effects on cardiovascular outcomes. Methods: Electrophoretic mobility shift assays (EMSA) were performed to analyze the allele-specific effects of the best causal SNP candidates on binding with nuclear proteins obtained from a THP-1 monocytic cell line. Afterwards, a dual luciferase reporter assay was used to assess the effect of selected genetic variants on gene transcription. Protein binding to SNP rs12920508 was investigated by DNA-affinity chromatography followed by mass spectrometry and multiplexed competitor EMSA. Results: Seven out of 12 SNPs demonstrated allele-specific protein binding, which was not influenced by dalcetrapib exposure of the cells. Results from dual luciferase reporter assay showed that plasmid constructs bearing variants rs12920508 and rs1967309 increased transcriptional activity when transfected into THP-1 undifferentiated monocytic cells. Eleven proteins were identified as potential candidates binding to region of SNP rs12920508. Additionally, region containing both SNPs rs1967309 and rs12920508 displayed increased transcriptional activity with significantly higher activity for deleterious haplotype. Conclusion: Polymorphism rs1967309 seems to be causing most functional effects in the THP-1 monocytic cell line. However, an interaction with rs12920508 or presence of the DNA region of this SNP may be necessary for optimal activity of rs1967309. Further work is required to elucidate the link between potentially causal SNPs and cardiovascular responses induced by dalcetrapib.

Cocoa bean fermentation is an essential but spontaneous fermentation process to obtain the necessary raw material for the production of cocoa-derived products, among which chocolate. Successful cocoa bean fermentation processes are typically dominated by three microbial groups, namely yeasts, lactic acid bacteria, and acetic acid bacteria. The use of functional starter cultures may allow to gain a better control over the fermentation process. Previously, a number of candidate functional starter cultures have been proposed for the lactic acid bacteria, namely Lactobacillus fermentum 222 and Lactobacillus plantarum 80, and for the acetic acid bacteria, namely Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T, and Acetobacter senegalensis 108B. The metabolism of bacteria determines an important part of their physiology, and this is recently being investigated by using computational models. The aim of this PhD thesis was to develop such models for the candidate functional starter cultures for the cocoa bean fermentation process and to perform the related computational analysis. The computational models developed were genome-scale metabolic models, which constitute a comprehensive repertoire of metabolic enzymes with their concomitant reactions, and this at genome-scale. The reconstruction of such models requires a combination of high-quality genome re-annotation, comparative genomics, manual curation, and experimental validation. Genome-scale metabolic modeling together with the use of previously published experimental data under cocoa fermentation conditions allowed to contextualize the experimental data and to gain new insights into the metabolic properties of the candidate functional starter cultures. Simulations with the A. pasteurianus 386B genome-scale metabolic model revealed the metabolic roles of lactate and ethanol, the energetic properties of the strains’ aerobic respiratory chain, and the possible functional role of an NAD(P)+ transhydrogenase. Modeling the metabolite dynamics of A. ghanensis LMG 23848T under cocoa fermentation conditions revealed an alternative strategy for its diauxic growth, compared with A. pasteurianus 386B, which was related to a difference in lactate consumption rate and pyruvate overflow. For A. senegalensis 108B, it was shown that, next to lactic acid, also citric acid could sustain its growth in vitro as the sole carbon source. Furthermore, the absence of the glyoxylate cycle predicted from its genome did not correspond with its species description that reports growth on ethanol as the sole carbon source. For L. fermentum 222 and L. plantarum 80, core genome-scale metabolic models allowed to gain insight into the possible metabolic flux distributions as a function of environmental conditions. The modeling also indicated a current lack in knowledge; for example, concerning the presence and consumption of undefined substrates in the complex medium used.In summary, genome-scale metabolic modelling of candidate functional starter cultures for the cocoa bean fermentation process provided useful in silico tools to gain insight into their metabolic properties at a systemic level. / La fermentation du cacao est un processus essentiel pour obtenir la matière première nécessaire pour la production de produits dérivés du cacao, comme par exemple le chocolat. Une fermentation de cacao favorable est caractérisée par la domination de trois groupes de microorganismes :les levures, les bactéries lactiques, et les bactéries acétiques. L'utilisation de cultures de départ fonctionnelles permet un meilleur contrôle sur le processus de fermentation. En ce qui concerne les bactéries, de nombreuses cultures "starter" ont été proposées, à savoir Lactobacillus fermentum 222 et Lactobacillus plantarum 80 pour les bactéries lactiques et Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T, et Acetobacter senegalensis 108B pour les bactéries acétiques. Le métabolisme des bactéries constitue une partie importante de leur physiologie et la recherche actuelle se concentre de plus en plus sur la modélisation du métabolisme et la simulation des flux métaboliques par ordinateur. Cette thèse de doctorat a été consacrée au développement et à l'analyse de tels modèles computationnels pour des cultures fonctionnelles "starter" proposés pour la fermentation du cacao.Les modèles qui ont été développés dans cette thèse sont des modèles métaboliques à l’échelle du génome. La reconstruction du réseau métabolique a entraîné la ré-annotation du génome, une étude de génomique comparative, la curation manuelle des annotations et la validation du modèle par des expériences in vitro. La modélisation nous a permis de contextualiser des données expérimentales déjà publiées pour en obtenir de nouvelles informations concernant les propriétés métaboliques des cultures starter. Des simulations utilisant le modèle métabolique de A. pasteurianus 386B ont clarifié les rôles métaboliques de l’acide lactique et de l’éthanol, les propriétés énergétiques de sa chaîne respiratoire, et ont permis d'assigner un rôle possible à une NAD(P)+ transhydrogénase. La modélisation de la dynamique des métabolites provenant d’un milieu de croissance de A. ghanensis LMG 23848T dans des conditions simulant la fermentation du cacao, a mis en évidence une stratégie alternative de croissance biphasique comparé à A. pasteurianus 386B. Ceci est dû à une différence dans le taux de consommation de l’acide lactique et à l’éventuelle production de pyruvate. Pour A. senegalensis 108B, les expériences ont démontré, tant pour l’acide lactique que pour l’acide citrique, que ces sources de carbone permettaient, à elles seules, la croissance de cette bactérie. L’absence du cycle du glyoxylate chez A. senegalensis 108B ne correspondait pas à la description de cette espèce, laquelle pouvant croître sur l’éthanol comme seule source de carbone. Pour L. fermentum 222 et L. plantarum 80, la modélisation de leur métabolisme du carbone a permis d’explorer les distributions de flux métaboliques en fonction des substrats consommés. Les simulations ont aussi révélé le manque de connaissance que nous avons sur ces bactéries lactiques, telle que la consommation de substrats non identifiés venant du milieu de croissance et qui pourrait influencer leur dynamique de croissance.En résumé, la modélisation métabolique à l’échelle du génome des cultures starter proposées pour la fermentation du cacao a permis le développement d’outils in silico qui peuvent être utilisés pour mieux comprendre le métabolisme global de ces souches. / Het cacaoboonfermentatieproces is een essentieel maar spontaan proces dat nodig is om de noodzakelijke grondstof, met name de gefermenteerde cacaobonen, voor de productie van cacao-afgeleide producten, waaronder chocolade, te bekomen. Succesvolle cacaoboonfermentatieprocessen worden typisch gedomineerd door drie microbiële groepen, met name gisten, melkzuurbacteriën en azijnzuurbacteriën. Om meer controle te verkrijgen over het fermentatieproces is het gebruik van functionele starterculturen aangewezen. In vorige studies werd reeds een reeks kandidaat-functionele starterculturen voorgesteld. Voor de melkzuurbacteriën zijn dit Lactobacillus fermentum 222 en Lactobacillus plantarum 80 en voor de azijnzuurbacteriën zijn dit Acetobacter pasteurianus 386B, Acetobacter ghanensis LMG 23848T en Acetobacter senegalensis 108B. Het metabolisme van bacteriën bepaalt in grote mate hun fysiologie, en dit wordt recent onderzocht door middel van computationele modellen. Het ontwikkelen en analyseren van zulke modellen voor de voorgestelde kandidaat-functionele starterculturen vormde het onderwerp van deze doctoraatsthesis.De computationele modellen waarvan sprake waren genoomwijde metabole modellen (GEMs), dewelke het repertoire aan metabole enzymen en de biochemische reacties die zij katalyseren in de bacteriële cellen omvat. De reconstructie van het metabole netwerk op genoomschaal vraagt om een gecombineerde aanpak van hoge-kwaliteit genoomherannotatie, comparatieve genomica en experimentele validatie. De GEMs werden gebruikt om reeds gepubliceerde experimentele data onder cacaofermentatiecondities te contextualiseren en nieuwe inzichten te verkrijgen in de metabole karakteristieken van de kandidaat-functionele starterculturen. Door middel van simulaties met het A. pasteurianus 386B GEM kon de metabole rol van melkzuur en ethanol, en de energetische karakteristieken van de aerobe respiratieketen van deze stam aangetoond worden, alsook de mogelijke metabole functie van een NAD(P)+ transhydrogenase. Het modelleren van de microbiële dynamica van A. ghanensis LMG 23848T onder cacaofermentatiecondities wees op een alternatieve strategie voor de tweevoudige groei van deze stam ten opzichte van de tweevoudige groei van A. pasteurianus 386B onder dezelfde condities, en dit omwille van een verschil in melkzuurconsumptiesnelheid en pyruvaatsecretie. Voor A. senegalensis 108B werd aangetoond dat deze stam, naast melkzuur, ook op citroenzuur als enige koolstofbron kon groeien. De afwezigheid van de glyoxylaatcyclus, voorspeld op basis van het genoom, bij A. senegalensis 108B is in tegenstelling tot de soortbeschrijving, dewelke stipuleert dat deze azijnzuurbacteriesoort in staat is tot groei op ethanol als enige koolstofbron. Voor L. fermentum 222 en L. plantarum 80 leidde de ontwikkeling van GEMs tot nieuwe inzichten in de mogelijke metabole fluxverdelingen, voornamelijk ten aanzien van substraatverbruik. Het modelleren van de microbiële dynamica wees ook op een tekortkoming aan huidige kennis over deze stammen, bijvoorbeeld met betrekking tot het gebruik van ongedefinieerde substraten in een rijk groeimedium.Samenvattend werden door middel van de ontwikkelde GEMs van de kandidaat-functionele starterculturen voor cacaoboonfermentatieprocessen nieuwe inzichten verkregen in hun metabolisme en dit op systeemniveau. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished