Les modifications post-traductionnelles des microtubules sont accumulées sur la queue carboxy-terminale des tubulines α et β, situées à l'extérieur des microtubules. Ces modifications peuvent réguler sélectivement les interactions avec les moteurs moléculaires et les protéines associées aux microtubules (MAPs). Ces interactions sont essentiels pour les fonctions cellulaires et demandent une régulation stricte. La glycylation est une modification que génère des chaînes latérales glycine sur les protéines. Jusqu'à présent, la glycylation a été à peine étudiée, et la plupart des travaux se sont concentrés sur son rôle potentiel dans les cils et les flagelles. Peu est connu sur le rôle de la glycylation des microtubules dans les cils primaires. Les cils primaires sont des organelles sensorielles, impliquées dans la transduction des signaux et dans la progression du cycle cellulaire. Récemment, une étude approfondie de 13 023 gènes dans le cancer colorectal a révélé que les tumeurs individuelles accumulent une moyenne d'environ 90 gènes mutés. Un de ces gènes potentiels de cancer est la glycylase TTLL3. Notre équipe a testé les deux mutations décrites pour TTLL3 et a pu constaté que chacun d'entre eux conduit à une perte complète de l'activité de cette glycylase in vivo et in vitro. Mon travail vise donc à élucider le rôle de glycylation de protéines dans la signalisation cellulaire et ses conséquences pour la formation du cancer du côlon. J'ai analysé des échantillons provenant de patients par RT-PCR quantitative et j'ai trouvé une diminution des niveaux d'expression de TTLL3 dans les cancers. Les souris TTLL3-knockout ont été soumises à un modèle murin de carcinome du côlon, induit chimiquement à la base de l'azoxyméthane (AOM) et du sulfate de dextran de sodium (DSS). Mes données montrent une formation tumorale élevée dans le groupe TTLL3-KO, ce qui suggère que la perte de la glycylation est liée au développement du cancer du côlon. La glycylation se trouve dans les cils primaires, et les défauts ciliaires ont été décrits dans différents types de tumeurs solides. La présence de cils primaires et l'importance de la glycylation dans le côlon n'étaient pas encore connues au début de mes travaux. Collectivement, mes résultats indiquent que la glycylation est nécessaire, mais pas indispensable pour les cils primaires. Remarquablement, j'ai pu démontrer la présence de cils primaires sur les cellules épithéliales du côlon pour la première fois, et j'ai mis en évidence un défet de ces cils dans les souris TTLL3-KO in vitro et in vivo. Par ailleurs, j'ai démontré que le dysfonctionnement des cils coliques dans les souris KO TTLL3 est associé à une augmentation de l'activité proliférative des cellules épithéliales. Par conséquent, la glycylation pourrait être importante pour la genèse et le fonctionnement des cils primaires. Dans le côlon, l'absence de la glycylase TTLL3 peut entraîner un manque de la glycylation qui favorise la formation de tumeurs. / Tubulin posttranslational modifications are involved in the regulation of many microtubule functions. Glycylation has been related to the stability and maintenance of motile cilia in different organisms including mammals. We had previously shown that some colon-cancer related mutations in the glycylating enzyme TTLL3 lead to a complete loss of enzymatic activity, which brought up a surprising link between this rather cilia-specific tubulin modification and cancer. To evaluate potential role of glycylation in colon carcinoma formation we first confirmed the link between TTLL3 and colon cancer in a greater cohort of patients. We next studied TTLL3-knockout mice, which strikingly did not show any obvious phenotypic alterations or spontaneous cancer development. However, when submitted to a murine model of chemically induced colon carcinoma, TTLL3-knockout mice show a higher level of tumor formation, pointing towards an acceleration of colon cancer development. Because glycylation of microtubules has been specifically detected on ciliary tubulin, we next analysed the presence of primary cilia in colon epithelium. While in most organs and tissues a second glycylating enzyme, TTLL8, is expressed, TTLL3 is the unique enzyme in colon. We found a significantly reduced number of primary cilia in TTLL3-KO colon epithelium, suggesting that similar to motile cilia, primary cilia are maintained by glycylation of the axonemal tubulin. Moreover, we measured a strongly increased mitotic index in colon epithelial cells isolated from TTLL3-KO mice, indicating that his loss of cilia is accompanied by decreased level of cell cycle control. Thus we have demonstrated for the first time a tight link between the posttranslational glycylation of the microtubule cytoskeleton, the control of cell cycle and the acceleration of cancer development.

La voie de signalisation Sonic Hedgehog (Shh) joue un rôle fondamental au cours de l’embryogenèse pour la mise en place de nombreux tissus. Elle persiste à l’âge adulte et régulerait notamment le contrôle de fonctions cérébrales. Son activation requiert la liaison d’un peptide Shh sur le récepteur Patched (Ptc) qui réprime l’activité constitutive de Smoothened (Smo), un récepteur apparenté à la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). Récemment, des essais cliniques pour le traitement de médulloblastomes et de diverses tumeurs solides chez l’Homme ont été menés avec des antagonistes de Smo. Cependant, ces molécules ont révélé des limitations à leur utilisation puisque des résistances au traitement sont apparues. Le travail de cette thèse a conduit au développement d’un modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo qui a ensuite permis le criblage virtuel d’une banque de molécules et l’identification de nouvelles familles d’antagonistes de Smo. L’acylthiourée MRT-10 et l’acylurée MRT-14 ont été les deux premiers composés caractérisés. Des études de relations structure-activité ont permis l’identification d’une nouvelle famille d’inhibiteurs du récepteur Smo de haute affinité à laquelle l’acylguanidine MRT-83 appartient. Ce composé s’adapte parfaitement au modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo. Les modifications structurales que MRT-83 présentes en comparaison avec les deux têtes de séries précédemment caractérisées sont à l’origine du gain d’activité de MRT-83 sur de nombreux tests cellulaires mettant en jeu l’activation de la voie Shh. Le composé MRT-83 inhibe la liaison de la BODIPY-cyclopamine sur le récepteur Smo humain et bloque la prolifération des précurseurs des cellules granulaires de rat avec une affinité de l’ordre du nanomolaire, comparable à celle des antagonistes de référence de Smo tels que le GDC-0449 et le LDE-225. Malgré l’homologie de séquence entre Smo et la famille des récepteurs Frizzled impliqués dans la signalisation Wnt, le composé MRT-83 ne présente aucun effet sur la voie Wnt. MRT-83 bloque la translocation de Smo dans le cil primaire induite par l’activation de la voie Shh dans les cellules NT2, une lignée issue d’un tératocarcinome humain, contrairement à l’antagoniste de Smo de référence, la cyclopamine qui induit l’adressage du récepteur dans le cil primaire. L’injection stéréotaxique dans le ventricule latéral de cerveau de souris adulte de MRT-83, contrairement à celle d’un composé de structure analogue, dépourvu d’activité sur Smo, inhibe l’expression des transcrits de Ptc induite par l’injection de Shh dans la zone sous-ventriculaire, l’une des deux principales aires de neurogenèse adulte. Ces résultats démontrent que les dérivés MRT bloquent également la signalisation Shh in vivo. Ainsi, les composés MRT-10, MRT-14, MRT-83 et les molécules de structure analogues caractérisées sont de puissants antagonistes de Smo. Ces molécules constituent de nouveaux outils pharmacologiques qui pourraient permettre d’améliorer notre compréhension des mécanismes moléculaires et biochimiques régulant la signalisation Hh et permettre le développement de nouvelles molécules en clinique pour le traitement des tumeurs Hh-dépendantes. / The Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway is implicated in multiple physiological responses including the control of brain functions. In mammals, the Shh pathway is expressed at the primary cilium and its activation requires the binding of a Shh peptide to the Patched (Ptc) receptor which represses the constitutive activity of Smoothened (Smo), a proposed member of the G-protein-coupled receptor (GPCR) family. Recently, clinical trials for treating medulloblastoma and various solid tumors in human have been conducted with Smo antagonists such as GDC-0449 or LDE-225. Such molecules may have some limitations leading to treatment resistance. In the present work, the development of a pharmacophoric model of Smo antagonists allowed a virtual screening strategy to identify novel Smo inhibitors. The acylthiourea MRT-10 and the acylurea MRT-14 were the two first leads identified. Structure-activity relationship experiments led to the discovery of new series of Smo inhibitors with high potency and to which the acylguanidine MRT-83 belongs. This inhibitor perfectly fits with the proposed pharmacophoric model for Smo antagonists. The discrete structural differences between MRT-83 and the original leads may account for the increased potency of MRT-83 observed in various in vitro Shh-based assays. MRT-83 inhibits BODIPY-cyclopamine binding to human Smo and Shh-mediated proliferation of rat granule cell proliferation with nanomolar potency similar to GDC-0449 or LDE-225. Despite significant homology of Smo with the Frizzled family of receptors which are involved in the Wnt signaling pathway, MRT-83 displays no significant effect on this pathway. MRT-83 blocks Smo translocation induced by Shh pathway activation to the primary cilia of NT2 cells that derive from a pluripotent testicular carcinoma whereas cyclopamine, a reference Smo antagonist, induces Smo accumulation of Smo signals at the primary cilium. Therefore, it might be anticipated that MRT-83, like GDC-0449 and LDE-225, interacts with Smo in a manner different from that of cyclopamine, suggesting that while their binding sites are overlapping, they are not identical. Stereotaxic injection of MRT-83 into the lateral ventricle of adult mice but not of a structurally-related compound inactive at Smo, abolished upregulation of Ptc transcription induced by Shh in the neighboring subventricular zone, one of the two main neurogenic areas of the adult brain. These data demonstrate that MRT derivatives efficiently antagonize Shh signaling in vivo. Thus, MRT-10, MRT-14, MRT-83 and structurally-related molecules are potent Smo antagonists. These compounds should be useful for clarifying the molecular and biochemical mechanisms underlying the resistance of Smo inhibitors in brain cancer cells and may help develop new therapies against Shh pathway-related brain diseases.

Le cil primaire, véritable organite sensoriel cellulaire est présent à la surface de la plupart des cellules de mammifères en quiescence. Truffé de récepteurs à sa membrane, le cil capte les signaux mécaniques et chimiques, jouant ainsi un rôle clé dans de nombreux processus développementaux et physiologiques. Un défaut de structure et/ou de fonction du cil est à l'origine de cancérogénèse et de pathologies humaines appelées ciliopathies.Le cil primaire est ancré à la membrane plasmique grâce au corps basal, structure dérivée du centriole père et connectée aux trois réseaux du cytosquelette. La formation du cil primaire nécessite une succession d'étapes cytoplasmiques hautement régulées. Elle débute par la maturation du centriole père en corps basal. Cette étape nécessite le recrutement de protéines spécifiques au centriole père permettant l'association avec une vésicule ciliaire à l'extrémité distale du centriole père. Ce complexe migre et vient s'ancrer à la membrane apicale déclenchant la nucléation de microtubules pour la formation de la partie externe du cil, ou axonème. En parallèle, la ciliogénèse nécessite un remodelage important du cytosquelette d'actine ainsi qu'un trafic de vésicules orienté vers la base du cil. Si la plupart des étapes sont bien caractérisées, celle concernant la migration du corps basal ainsi que la contribution du cytosquelette reste mal comprise.Afin de mieux appréhender les mécanismes impliqués dans la migration du corps basal lors de la ciliogénèse, nous avons développé un système expérimental basé sur l'utilisation de micro-patrons adhésifs recouverts de fibronectine. Cette technologie comporte de nombreux avantages. Elle permet le contrôle de l'étalement de la cellule inhérent à la surface imposée par la matrice extracellulaire régulant ainsi l'organisation du cytosquelette ainsi que le positionnement des organelles subcellulaires. Par ailleurs, le volume cellulaire induit par le confinement spatial facilite l'observation de la position du centrosome en z au cours du temps, indispensable pour l'étude de chaque étape de la ciliogénèse cytoplasmique.Dans un premier temps, nous avons démontré que la forme et l'architecture du cytosquelette d'actine qui en dépend sont des régulateurs majeurs du processus ciliogénique. Les cellules confinées spatialement et sevrées 24h sur des petits disques développent un réseau branché au niveau de leur surface apicale nécessaire à la croissance du cil primaire. A l'inverse, les cellules étalées sur des grands disques sont beaucoup plus contractées. Elles développent d'importantes fibres de stress sur leur surface ventrale. Le centrosome reste sous le noyau et le niveau de contraction empêche l'assemblage du cil. Le niveau de contractilité module donc la formation du réseau d'actine apicale qui contrôle en retour le mouvement du corps basal et l'élongation du cil.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dynamique du cytosquelette d'actine et de microtubules durant l'étape de migration du corps basal c'est à dire juste après la privation de sérum. Nos résultats indiquent que la migration nécessite une augmentation transitoire de la stabilité des microtubules concomitante avec une augmentation de la contractilité des filaments d'actine. Un crible basé sur l'ARN interférence nous a permis d'identifier des gènes impliqués dans le processus de migration dont CEP164, contribuant à l'ancrage du centriole père à la vésicule ciliaire. Les cellules déficientes en CEP164 montrent un défaut de réorganisation du cytosquelette expliquant l'inhibition du transport du corps basal vers la membrane apicale.L'ensemble des résultats nous permet d'avancer dans la compréhension des conditions requises pour le mouvement du corps basal vers la membrane apicale. Celui-ci nécessite à la fois un remodelage significatif du cytosquelette en constant dialogue et en interaction avec certains composants ciliaires nécessaires à la formation du cil primaire. / The primary cilium is a sensory organelle present on the surface of most quiescent cells. It possesses numerous receptors on its surface and is responsible for transducing biochemical and mechanical signals to the interior of the cell and playsimportant roles during development and in homeostasis. Defects in primary cilium assembly are the underlying cause of a group of pleiotropic diseases referred to as ciliopathies.The primary cilium is anchored to the plasma membrane through the basal body which is derived from the mother centriole and is connected to three networks of the cytoskeleton. Primary cilium formation is a highly regulated and multi-step process that begins with the maturation of the centriole mother into basal body in the cytoplasm of the cell. One of the first steps of primary cilium assembly is the recruitment of specific proteins to the mother centriole to initiate the formation of a ciliary vesicle at the distal end of the mother centriole. Once formed, the mother centriole migrates to and is anchored to the apical membrane, triggering the elongation of microtubules from the distal end of the mother centriole to form the outer part of primary cilium, or axoneme. In order for this to occur, significant remodeling of the actin cytoskeleton and directe-trafficking of vesicles to the base of the cilium is required. While much progress has been made in characterizing the initial steps of primary ciliogenesis, how the basal body migrates to the plasma membrane is not fully understood.To gain a better understanding of the mechanisms involved in the migration of basal body during ciliogenesis, we developed an experimental system based on the use of adhesive micro-patterns coated with fibronectin. This technology has many advantages. It enables the control of the cell spreading which is imposed by the size of the adhesive area and, in turn, the regulation of cytoskeletal organization and the positioning of subcellular organelles. Furthermore, this technique enables the cell volume induced by the spatial confinement, to be controlled, facilitating the observation and measurement of the centrosome's position in z throughout the primary ciliogenesis process.First, we demonstrated that the shape and architecture of the actin cytoskeleton are major regulators of primary ciliogenesis. Cells spatially confined and starved for 24h on small discoidal micropattern develop an apical web like actin network necessary for the primary cilium growth. In contrast, cells plated on large discs are much more contracted and they develop significant stress fibers on their ventral surface. In this situation, the centrosome remains below the nucleus and the level of contraction prevents the assembly of a primary cilium. The level of contractility therefore modulates the formation of apical actin network that in turn controls the movement of the basal body and the cilium elongation.Secondly, we studied actin cytoskeleton and microtubule reorganization during the basal body migration step that occured just after serum starvation. Our results indicate that migration requires a transient increase in the stability of microtubules, concomitant with an increase in contractility of actin filaments. By RNA interference screening, we have identified genes involved in the migration process including CEP164, which has previously been shown to participate in the anchoring of the ciliary vesicle to the mother centriole. CEP164-deficient cells were found to have defects in cytoskeletal reorganization thereby explaining why basal body transport to the plasma membrane was blocked in these cells.Altogether, these results enable our understanding of how basal body movement to the apical membrane is driven. This requires both significant remodeling and crosstalk between the actin and microtubule cytoskeleton and interaction with ciliary components necessary for the formation of a primary cilium.

La voie de signalisation Sonic Hedgehog (Shh) joue un rôle fondamental au cours de l'embryogenèse pour la mise en place de nombreux tissus. Elle persiste à l'âge adulte et régulerait notamment le contrôle de fonctions cérébrales. Son activation requiert la liaison d'un peptide Shh sur le récepteur Patched (Ptc) qui réprime l'activité constitutive de Smoothened (Smo), un récepteur apparenté à la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). Récemment, des essais cliniques pour le traitement de médulloblastomes et de diverses tumeurs solides chez l'Homme ont été menés avec des antagonistes de Smo. Cependant, ces molécules ont révélé des limitations à leur utilisation puisque des résistances au traitement sont apparues. Le travail de cette thèse a conduit au développement d'un modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo qui a ensuite permis le criblage virtuel d'une banque de molécules et l'identification de nouvelles familles d'antagonistes de Smo. L'acylthiourée MRT-10 et l'acylurée MRT-14 ont été les deux premiers composés caractérisés. Des études de relations structure-activité ont permis l'identification d'une nouvelle famille d'inhibiteurs du récepteur Smo de haute affinité à laquelle l'acylguanidine MRT-83 appartient. Ce composé s'adapte parfaitement au modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo. Les modifications structurales que MRT-83 présentes en comparaison avec les deux têtes de séries précédemment caractérisées sont à l'origine du gain d'activité de MRT-83 sur de nombreux tests cellulaires mettant en jeu l'activation de la voie Shh. Le composé MRT-83 inhibe la liaison de la BODIPY-cyclopamine sur le récepteur Smo humain et bloque la prolifération des précurseurs des cellules granulaires de rat avec une affinité de l'ordre du nanomolaire, comparable à celle des antagonistes de référence de Smo tels que le GDC-0449 et le LDE-225. Malgré l'homologie de séquence entre Smo et la famille des récepteurs Frizzled impliqués dans la signalisation Wnt, le composé MRT-83 ne présente aucun effet sur la voie Wnt. MRT-83 bloque la translocation de Smo dans le cil primaire induite par l'activation de la voie Shh dans les cellules NT2, une lignée issue d'un tératocarcinome humain, contrairement à l'antagoniste de Smo de référence, la cyclopamine qui induit l'adressage du récepteur dans le cil primaire. L'injection stéréotaxique dans le ventricule latéral de cerveau de souris adulte de MRT-83, contrairement à celle d'un composé de structure analogue, dépourvu d'activité sur Smo, inhibe l'expression des transcrits de Ptc induite par l'injection de Shh dans la zone sous-ventriculaire, l'une des deux principales aires de neurogenèse adulte. Ces résultats démontrent que les dérivés MRT bloquent également la signalisation Shh in vivo. Ainsi, les composés MRT-10, MRT-14, MRT-83 et les molécules de structure analogues caractérisées sont de puissants antagonistes de Smo. Ces molécules constituent de nouveaux outils pharmacologiques qui pourraient permettre d'améliorer notre compréhension des mécanismes moléculaires et biochimiques régulant la signalisation Hh et permettre le développement de nouvelles molécules en clinique pour le traitement des tumeurs Hh- dépendantes.

Pendant le développement embryonnaire, les cellules de l'Eminence Ganglionnaire Médiane (EGM) gagnent le cortex cérébral et s'y dispersent largement par migration tangentielle, puis s'y différencient en interneurones. Mon travail de thèse a consisté à analyser le comportement migratoire des cellules d'EGM dans un modèle in-vitro. Ces cellules présentent un cycle de migration en deux phases que j'ai contribué à caractériser. Premièrement, un renflement contenant le centrosome et l'appareil de Golgi se forme à partir du compartiment somatique et migre dans le neurite de tête, jusqu'à 30μm du noyau resté à l'arrière. La deuxième phase du cycle correspond à la translocation rapide du noyau vers le centrosome et l'appareil de Golgi. Les translocations nucléaires sont bloquées par la Blebbistatine, un inhibiteur spécifique de la myosine II non-musculaire, suggérant que les contractions du système d'acto-myosine jouent un rôle déterminant dans les mouvements du noyau vers le centrosome. J'ai examiné le rôle des microtubules dans le contrôle de la forme et de la motilité des cellules d'EGM par des études pharmacologiques. J'ai utilisé du nocodazole, drogue qui altère l'instabilité dynamique des microtubules à faible dose ou les déstabilise à forte dose. De faibles doses (100nM) de nocodazole n'affectent pas ou peu la motilité des cellules d'EGM en migration, mais simplifient leur arborisation neuritique et déstabilisent leur polarité ; de fortes doses (1μM) de nocodazole induisent un comportement migratoire dit multipolaire, avec une vitesse de migration diminuée de moitié. Ces résultats suggèrent que la stabilité des microtubules est cruciale pour maintenir la polarité et contrôler la directionnalité des cellules d'EGM en migration, alors que des mécanismes complémentaires contrôlent leur motilité. J'ai ensuite caractérisé le rôle de la myosine II et d'une de ses voies activatrices, la voie Rho. Le traitement des cellules d'EGM en migration par des doses modérées de Blebbistatine (20μM) ou par un inhibiteur spécifique de la Rho-kinase ROCK (Y27632), ont montré que l'activation de la myosine II non seulement contrôle l'amplitude et la fréquence des translocations nucléaires, mais aussi le positionnement du centrosome à l'avant. L'étude d'un mutant hypomorphe pour l'isoforme B de la myosine II, menée avec Nathalie Nériec, a confirmé ce rôle de la myosine dans le contrôle des mouvements du noyau et du centrosome. Les mouvements relatifs du noyau et du centrosome dans les cellules d'EGM en migration suggèrent une organisation particulière du réseau de microtubules. J'ai étudié cette organisation par tomographie électronique. J'ai mis en évidence deux réseaux de microtubules dans les cellules d'EGM: 1) un réseau de microtubules ancrés aux centrioles et dirigés majoritairement vers l'avant de la cellule 2) des microtubules non-centrosomaux. Le noyau est entouré par des microtubules non-centrosomaux. A l'avant du noyau, des microtubules peuvent former un rail sur lequel glisse la membrane nucléaire. Pendant le cycle de migration des cellules d'EGM, les centrioles présentent des changements de localisation subcellulaire associés à des transformations ultrastructurales inattendues. Le centriole père est capable de s'associer à la membrane plasmique où il peut former un cil. Mes études ultrastructurales montrent que l'ancrage membranaire du corps basal et la formation du cil ont lieu pendant la phase stationnaire du noyau, à distance de celui-ci dans le renflement. Ainsi, dans les futurs interneurones corticaux, l'adressage cyclique d'un centriole/corps basal à la membrane plasmique est corrélé au cycle de migration. Ce processus inédit contrôle probablement la migration des interneurones par un mécanisme qui reste à identifier. Ce comportement caractéristique des centrioles et la régulation dynamique de l'ancrage des microtubules au centrosome pourraient en outre expliquer l'organisation particulière des microtubules dans ces neurones.

Le cil primaire (CP) est une organelle présente chez l’Homme dans la grande majorité des cellules. Lors du développement le CP est d’une importance capitale, puisqu’il contrôle les voies de signalisation comme Hedgehog ou Wnt. Certaines pathologies génétiques affectant spécifiquement le CP, engendrent une obésité. Au cours de ma thèse je me suis intéressé à l’évolution du CP au cours de l’adipogenèse des cellules souches mésenchymateuses humaines. Les résultats que nous avons obtenus indiquent que le cil est présent dans les cellules indifférenciées, qu’il subit une élongation importante suite à l’induction de la différenciation, suivi d’une diminution de sa taille et fini par disparaitre dans les adipocytes. L’élongation de la taille du cil ne semble pas affecter la localisation des protéines qui lui sont associées comme Kif3-A ou Smoothened, une protéine importante de la voie Hedgehog. Néanmoins, il apparait que la voie de signalisation Hedgehog est inhibée après trois jours de différenciation et que les cellules ont développé une résistance à Sonic Hedgehog. La déacétylase de la tubuline acétylée HDAC6 est apparue comme étant une bonne cible puisque son expression augmente au cours de la différenciation et qu’elle est décrite pour être responsable de la perte du cil pendant la mitose. Les données que nous avons obtenues ont permis de montrer que l’inhibition, ou la surexpression d’HDAC6 au cours de l’adipogenèse engendrent une inhibition de l’élongation du cil associée à une forte inhibition de la différenciation adipocytaire. Ces résultats permettront, à terme de mieux comprendre les liens entre le cil primaire et la différenciation adipocytaire. / The primary cilium (PC) is an organelle present in almost all cell types of the organism. During development, the PC plays an important function by driving signaling pathways such as Hedgehog or Wnt. Some genetic syndromes affecting specifically the PC are associated with obesity. My project has consisted to analyze the evolution of the PC during adipocyte differentiation of human mesenchymal stems cells. Our results indicate that the PC is present in undifferentiated cells, then it undergoes a strong elongation at the beginning of the differentiation followed by a decreased of its size, and disappears in differentiated cells. This increase in the cilium size does not affect the localization of its associated proteins such as KIF3-A and Smoothened an important protein of the Hedgehog signaling pathway. However, this pathway is inhibited after three days of differentiation and cells have developed a Sonic Hedgehog resistance. The tubulin deacetylase HDAC6 appeared as a good target because its expression increases during differentiation and it is known to be responsible for the loss of the cilium during mitosis. Our data show that an inhibition or an overexpression of HDAC6 lead to a decrease in the cilium elongation associated with an inhibition of adipocyte differentiation. These results will ultimately lead to a better understanding of the connections between the PC and adipocyte differentiation.

Des mutations du gène STK11 furent initialement décrites comme responsable du syndrome Peutz-Jeghers, dont la gravité est lliée à une incidence accrue d’apparition de tumeurs. Le produit de ce gène, la sérine/thréonine kinase LKB1, a une expression ou une activité catalytique réduite, voir perdue, consécutivement à des mutations somatiques dans plusieurs types de cancer mais principalement du poumon (30% des NSCLC). Cette kinase est considérée de ce fait comme un suppresseur de tumeur d’importance. Les mécanismes moléculaires responsables de sa propriété suppresseur de tumeur restent à identifier. En effet, alors que sa fonction dans le métabolisme cellulaire, au travers de l’activation de la kinase AMPK, fut longtemps privilégiée, elle est actuellement remise en cause au profit de sa fonction de régulatrice de la signalisation Wnt canonique. Mes travaux de thèse confortent cette éventualité dans le cas des tumeurs pulmonaires (NSCLC). En effet, parmi les deux complexes fonctionnels que forme LKB1 avec les pseudokinases STRADα ou β, mes résultats démontrent que seul celui impliquant STRADβ intervient dans la régulation de la voie Wnt. Pour cela, le complexe LKB1/STRADβ se localise au niveau du cil primaire et participe à l’activation de la kinase MARK3. Ces résultats, étayés par un modèle murin invalidé pour STRADβ ainsi que l’analyse, a posteriori, de bases de données transcriptomiques adossées aux données cliniques de patients atteints de NSCLC, suggèrent que l’activité suppresseur de tumeur de LKB1 est associée à sa localisation et à sa fonction au niveau du cil primaire en participant à l’activation de MARK3 et à la régulation de la signalisation Wnt canonique. / STK11 gene mutations were originally identified as responsible for the Peutz-Jeghers syndrome of which severity is mainly related to an increase incidence of tumor development. The product of this gene the serine/threonine kinase LKB1 gets its activity or its expression reduced, sometimes even lost, following somatic mutations in several types of cancer such as pancreas, liver but mainly from lung. Indeed, almost 30% of non-small cell lung carcinoma (NSCLC) does not express anymore or only an inactive form, has led to consider this kinase as tumor suppressor of importance. While there is no doubt of the involvement of its catalytic activity molecular mechanisms responsible for its tumor suppressor properties remain to be identified. Indeed, whereas its function as regulator of cellular metabolism through AMPK has been favor for a while, it is currently re-assess to benefit to its regulator function on canonical Wnt signaling. My thesis work, reinforce this eventuality in NSCLC. Indeed, among the two functional complexes formed by LKB1 through its association with STRADα or β pseudokinases, my results show that only the complex related to STRADβ is involved in the canonical Wnt pathway regulation. For that, LKB1/STRADβ complex localizes at primary cilia and participates to MARK3 kinase activation. These results strengthened by a STRADβ knockout mouse model and an a posteriori transcriptomic analysis of lung adenocarcinoma patient datasets related to their clinical records, suggest that LKB1 tumour suppressor activity is associated with its localization and its function at primary cilia participating in the activation of MARK3 and thus regulation of canonical Wnt signaling.

Pendant le développement du cervelet, les progéniteurs des neurones granulaires (PNG) nécessitent la présence du cil primaire pour proliférer en réponse à Sonic Hedgehog (SHH). En effet, la prolifération dérégulée des PNGs peut conduire à la formation d'une tumeur pédiatrique maligne appelée SHH-médulloblastome (MB), de ce fait comprendre comment le cil primaire est régulé dans les PNGs est crucial.Nous montrons que le facteur de transcription Atoh1 contrôle la présence du cil primaire dans les PNGs in vitro et in vivo. En particulier, la suppression du cil primaire par l’inactivation génétique de gènes impliqués dans la ciliogenèse (par exemple, Kif3a ou Ift88) empêche Atoh1 de maintenir les PNGs en prolifération, ce qui indique qu’Atoh1 favorise l’expansion des PNGs en maintenant la présence du cil primaire. D’un point de vue moléculaire, Atoh1 contrôle la formation du cil primaire en régulant le bon positionnement peri-centrosomal des satellites centriolaires (SC), complexes protéiques essentiels pour la ciliogenèse. L'inactivation de Atoh1 dans les PNGs perturbe en effet la distribution subcellulaire des SCs, altérant ainsi inévitablement la ciliogenèse. Cette nouvelle fonction de Atoh1 est gouvernée par la régulation transcriptionnelle directe d'un composant clé des SCs, Cep131. L’expression ectopique de Cep131 dans les PNGs restore les effets liés à l'inactivation d'Atoh1, rétablissant la localisation correcte du SC et comme conséquence la présence d’un cil primaire.De plus, nous avons montré que cette voie Atoh1-SC-cil primaire-SHH contrôlant la prolifération des PNGs est également conservée dans le contexte du SHH-MB, où Atoh1 est surexprimée et essentielle pour sa formation et sa maintenance.Ces données révèlent un mécanisme par lequel la ciliogenèse est régulée dans des progéniteurs de neurones, offrant de nouvelles informations sur la neurogenèse dans le cervelet et sur la pathogenèse du SHH-MB. / Cerebellar granule neuron progenitors (GNPs) require the primary cilium to proliferate in response to Sonic Hedgehog (SHH) during cerebellar development. As aberrant proliferation of GNPs may lead to SHH-type medulloblastoma (SHH-MB), a pediatric brain tumor, understanding which mechanisms control ciliogenesis in GNPs represents a major interest in the field. Here, we show that the proneural bHLH transcription factor Atoh1 controls the presence of primary cilia in GNPs both in vitro and in vivo, thus maintaining GNPs responsive to the mitogenic effects of SHH. Indeed, loss of primary cilia induced via knockdown of specific ciliary components (e.g. Kif3a and Ift88) abolishes the ability of Atoh1 to keep GNPs in proliferation in vivo. Mechanistically, Atoh1 controls ciliogenesis by regulating the proper peri-centrosomal clustering of centriolar satellites (CS), large multiprotein complexes working as essential machineries for ciliogenesis. Knockdown of Atoh1 in GNPs perturbs CS subcellular distribution, leading to impairment of ciliogenesis. Luciferase reporter assays and chromatin immunoprecipitation experiments indicate that Atoh1 can directly regulate the expression of Cep131, a key CS core component. Importantly, ectopic expression of Cep131 in GNPs depleted of Atoh1, is sufficient to restore proper CS localization and consequent primary cilia formation, indicating that the Atoh1-Cep131-CS axis is responsible for ciliogenesis in GNPs.In addition, we further demonstrated that these functions of Atoh1 are conserved in the context of SHH-MB, where Atoh1 is typically overexpressed and acts as a lineage-dependent transcription factor.These data reveal a mechanism whereby ciliogenesis is regulated in neuron progenitors providing novel insights into cerebellar neurogenesis and pathogenesis of SHH-MB.

La protéine RFX3 appartient à une famille de facteurs de transcription RFX (Regulatory Factor X) très conservée au cours de l'évolution. Avec plusieurs autres membres de cette famille, RFX3 est impliquée dans la régulation de l'expression de gènes nécessaires pour l'assemblage et la fonction des cils. L’objectif de mon travail de thèse a été de comprendre le rôle du facteur de transcription RFX3 au cours du développement du poumon de la souris. RFX3 est exprimée dès le début du développement pulmonaire dans les cellules du mésenchyme et de l'épithélium, de manière corrélée à la présence de cils primaires. En absence de RFX3, le nombre des cils primaires est réduit. A la naissance, l’expression de RFX3 se restreint aux cellules multiciliées de l'épithélium bronchique. Les poumons de souris Rfx3-/- ou conditionnellement inactivées pour Rfx3 dans le mésenchyme, présentent un défaut de formation des alvéoles, associé à un nombre réduit de précurseurs des myofibroblastes en cours de migration en périphérie des poumons. In vivo, le nombre de précurseurs des myofibroblastes chez les souris Rfx3-/- est diminué. En culture primaire, les myofibroblastes Rfx3-/- ont une capacité proliférative réduite, ainsi qu'une altération du comportement migratoire. La voie induite par le PDGFAA, facteur de croissance responsable de la migration des myofibroblastes in vivo, est intact chez les myofibroblastes Rfx3-/-. En conclusion, RFX3 régule la croissance des cils primaires et gouverne la différentiation des myofibroblastes pendant le développement du poumon. Ce travail de thèse suggère donc une nouvelle fonction des cils primaires durant le développement pulmonaire / RFX3 belongs to the regulatory factor X (RFX) family transcription factors that are conserved in a wide range of species. With several other members of this family, RFX3 is involved in regulating the expression of genes required for assembly and function of cilia. The aim of my thesis was to understand the role of the transcription factor RFX3 during mouse lung development. RFX3 is expressed early in lung development in mesenchymal and epithelial cells, correlated to the presence of primary cilia. In the absence of RFX3, the number of primary cilia is reduced. At birth, RFX3 expression is restricted to multiciliated cells of the bronchial epithelium. The lungs of Rfx3-/- mice, or conditionally inactivated for Rfx3 in the mesenchyme, exhibit an alveolarization defect, associated with a reduced number of myofibroblast precursors that migrate in the lung periphery. In vivo, the number of myofibroblast precursors in Rfx3-/- mice is reduced. In primary culture, Rfx3-/- myofibroblasts have a reduced proliferative capacity, and an altered migratory behavior. The pathway induced by PDGFAA, a growth factor responsible for the myofibroblast migration in vivo, is intact in Rfx3-/- myofibroblasts. In conclusion, RFX3 regulates the growth of primary cilia and governs the differentiation of myofibroblasts during lung development. This thesis suggests a novel function of primary cilia during lung development

Le cil primaire est un organite présent à la surface de la plupart des cellules de Vertébrés. Il participe à l’organogénèse en régulant l’activité de voies de signalisation comme la voie Hedgehog. Une dysfonction du cil primaire mène à des maladies rares, sévères et pléiotropiques, les ciliopathies, qui peuvent inclure des défauts cardiaques. Cependant, le rôle que le cil primaire joue dans la morphogénèse cardiaque est encore mal compris. Le projet principal de la thèse porte sur l’étude du rôle du cil primaire des cellules cardiaques dans le développement du cœur. Dans ce but, nous avons utilisé un modèle murin de délétion conditionnelle de Ift20, un gène essentiel pour la ciliogénèse. La délétion est contrôlée par l’allèle Mesp1Cre exprimé dans la plupart des précurseurs précoces cardiaques. A la naissance, les mutants conditionnels présentent des défauts importants de septation des voies efférentes et des chambres cardiaques, les oreillettes et les ventricules. Ces défauts sont similaires à ceux caractérisés dans les mutants de la voie Hedgehog. Nous avons également identifié de nouveaux phénotypes associés à la suppression du cil. Les mutants présentent une augmentation significative de la taille du ventricule droit et des malformations du réseau de vascularisation coronaire. Pour mieux comprendre la cause des défauts de croissance observés à la naissance, nous avons analysé les comportements cellulaires sous-jacents. Aucune différence significative des taux de prolifération, de la taille et de la proportion des types cellulaires n’a été détectée au stade prénatal, suggérant que ces défauts ont une origine développementale plus précoce. Des expériences sont en cours pour déterminer les mécanismes moléculaires des défauts observés. Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire de Julien Vermot, à Strasbourg, nous avons étudié le rôle du cil primaire dans le développement du proépicarde, un organe précurseur de l’épicarde du cœur mature. Nous avons montré que les embryons mutants Ift20 constitutifs présentent une augmentation significative du volume du proépicarde. Des analyses sont en cours pour identifier les voies de signalisation impliquées dans ce phénotype. Les travaux effectués durant ce projet de thèse ont permis de caractériser de nouveaux rôles du cil primaire dans le développement cardiaque. Nos résultats participent à une meilleure compréhension des ciliopathies et des défauts cardiaques qui leur sont associés. / The primary cilium is an organelle present at the surface of most of Vertebrate cells. It is involved in organogenesis by regulating signalling pathways such as Hedgehog signalling. Primary cilium dysfunction leads to severe, rare and pleiotropic diseases, ciliopathies, which can include cardiac defects. Howevr, the role that the primary cilia plays in cardiac morphogenesis is still poorly understood. The main project of the PhD focuses on the study of the role of primary cilia in cardiac cells during heart development. We have used a mouse mode of conditional deletion of Ift20, a gene essential for ciliogenesis. The deletion is controlled by the Mesp1Cre allele, expressed in the majority of cardiac precursors. At birth, conditional mutants display severe defects in septation of the outflow tract, the atria and the ventricles. These defects are similar to the ones characterized in Hedgehog signalling mutants. We also have identified novel phenotypes linked to cilium suppression. The mutants display a significant increase in the size of the right ventricle and defective coronary vasculature development. To better understand the growh defects observed at birth, we analysed the underlying cell behaviour. No significant differences in the proliferation rates, nor in the size and proportions of different cell types were detected at prenatal stages, suggesting that these defects have an earlier developmental origin. Experiments are underway to determine the molecular mechanisms of the observed defects. In collaboration with the laboratory of Julien Vermot, in Strasbourg, we studied the role of the primary cilium in the development of the proepicardium, a precursor organ of the mature epicardium. We have shown that Ift20 constitutive mutants show a significant increase in proepicardial volume. Analyses are ongoing to identify the signalling pathways involved in this phenotype. The works performed during this PhD project allowed the characterization of new roles for the primary cilium in cardiac development. Our results participate in a better understanding of ciliopathies and their associated cardiac defects.