Le cortex cérébral primate a subi des modifications majeures pendant l'évolution qui ont permis le développement de fonctions cognitives supérieures. Un accroissement massif a eu lieu avec l'extension spécifique des couches supragranulaires et une forte expansion tangentielle. Le cortex primate ne possède pas uniquement davantage de neurones, comparé au rongeur, mais aussi des différences qualitatives. Ceci suggère des différences qualitatives pendant le développement du cortex.Une zone proliférative corticale supplémentaire a été identifiée chez le singe macaque: la zone subventriculaire externe (OSVZ) supposée être impliquée dans l'expansion du cortex primate. Mais les propriétés des précurseurs de l'OSVZ restent mal connues. Des techniques de microscopie en temps réel et d'immunofluorescence ont permis de réaliser une description exhaustive des précurseurs de l'OSVZ et de leurs propriétés chez le singe macaque.Nos résultats mettent en évidence des différences primates/rongeurs majeures. Les observations en temps réel révèlent des capacités prolifératives bien plus importantes des précurseurs. Les précurseurs primates de l'OSVZ présentent des taux de prolifération variables pendant la corticogenèse liés à la cinétique du cycle cellulaire. Nos enregistrements ont permis la génération d'une grande base de données de propriétés et lignages de précurseurs et la mise en évidence d’une diversité morphologique inattendue. 5 types ont été identifiés. Impliqués dans des lignages complexes, chaque type a la capacité de s'auto-renouveler et de générer directement des neurones. Parallèlement, nous avons développé une méthode de classification non supervisée des précurseurs corticaux. Cette technique a identifié les mêmes 5 types de précurseurs.Les résultats de cette thèse apportent de nouveaux éléments dans la compréhension des spécificités de la corticogenèse primate qui contribuent à l'expansion corticale et au développement de capacités cognitives supérieures. / The primate cerebral cortex underwent major modifications during evolution that enabled the development of high cognitive functions. A massive enlargement occurred with the specific expansion of the supra granular layers and the apparition of new frontal areas. Not only quantitative differences are found compared to the rodent but also qualitative differences. This points to potential qualitative differences in primate cortical development. An extra proliferating zone had already been identified during macaque corticogenesis: the outer subventricular zone (OSVZ). This zone is assumed to play a key role in the expansion of the primate cortex but the cellular and functional properties of OSVZ precursors remain elusive. We used quantitative long-term time-lapse video-microscopy (TLV) and immunofluorescence in and ex vivo to perform a detailed and exhaustive description of OSVZ precursor types and proliferative abilities at different stages of macaque cortical development. Our results highlight major rodent/primate differences. TLV observations revealed a much higher proliferative potential of OSVZ compared to the rodent SVZ. We report variable rates of proliferation linked to cell-cycle duration in a stage-specific manner. TLV recordings allowed the formation of a large database of primate precursor properties and lineages. This dataset unravelled an unexpectedly high diversity of OSVZ precursor morphologies. Five precursor types were identified. Involved in complex lineages, each precursor type can self-renew and directly generate neurons. In a parallel approach, we developed an unbiased clustering tool to automatically classify cortical precursors. This technique returned the same five precursor types as the morphological categorization. The results of this PhD thesis provide new insights into primate specificities during corticogenesis that contribute to cortical expansion and to the development of higher cognitive abilities.

Notre équipe de recherche étudie l'action des hormones gibbérellines (GA) et cytokinines (CK) dans les processus de développement chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. En recherchant des régulateurs de l'expression d'un gène impliqué dans la différenciation des cellules épidermiques et dont l'expression est contrôlée par ces deux hormones, une nouvelle famille de quatre protéines nommées GeBP (GL1 enhancer Binding Protein), GPL1 (GeBP Protein Like 1), GPL2 et GPL3 a été identifiée au laboratoire. Le but de ce travail de thèse était de caractériser moléculairement et fonctionnellement les membres de cette nouvelle famille multigénique.<br /> Nous avons tout d'abord vérifié l'adressage nucléaire des protéines GeBP/GPL et démontré leur capacité à former des dimères in planta via un motif Leucine-Zipper non canonique. L'analyse fonctionnelle a été abordée par l'étude de lignées simples et multiples mutantes gebp/gpl. Différentes données physiologiques et moléculaires convergentes ont démontré un rôle redondant des gènes GeBP/GPL dans le contrôle de la réponse aux CK. Enfin, une analyse globale des transcriptomes d'une lignée surexpresseur de GPL2 et du quadruple mutant gebp/gpl, nous a permis d'établir un lien entre les GeBP/GPL et CPR5, un gène impliqué dans la réponse aux pathogènes, et le contrôle du cycle cellulaire. Ce lien a été conforté expérimentalement par des mesures de ploïdies des noyaux des cellules foliaires montrant une dérégulation du cycle cellulaire chez la lignée quadruple mutant et la lignée surexpresseur de GPL2.<br />Les futurs travaux auront pour but de poursuivre l'étude de la fonction des GeBP/GPL et de confirmer le lien avec CPR5.

Le modèle michaëlien d'acquisition d'azote, utilisé à l'origine pour représenter l'effet de la concentration d'un nutriment sur son taux d'absorption, s'avère insuffisant lorsque d'autres facteurs présentent des variations temporelles, à l'exemple du cycle diurne de lumière. Dans la littérature, les oscillations diurnes de l'acquisition d'azote sont généralement expliquées par la réponse du statut physiologique des microalgues au flux de photons et à la disponibilité en substrat. Cette thèse a pour but d'identifier dans quelle mesure le cycle cellulaire conditionne lui aussi la prise d'azote, et le cas échéant d'évaluer l'impact de cette propriété au niveau macroscopique. Pour cela, nous avons réalisé des expériences en cultures continues de la diatomée Thalassiosira weissflogii soumise à différentes conditions de lumière et d'azote. Notre étude met en évidence une diminution de l'acquisition d'azote lorsqu'une proportion significative de la population est en mitose. Il apparait également que les évènements mitotiques sont planifiés à la fois par les conditions de croissance et par une horloge interne. De plus, nos expériences montrent que les conséquences macroscopiques de ces propriétés individuelles sont fonction du degré de synchronisation de la population, et nous détaillons les facteurs agissant sur ce phénomène. Ensuite, nos hypothèses sont reprises dans une approche numérique afin de tester le gain de représentativité obtenu en prenant en compte le cycle cellulaire dans la modélisation de la croissance phytoplanctonique. Enfin, nous discutons de l'effet du cycle cellulaire sur l'acquisition d'azote en milieu marin et de ses possibles implications écologiques.

Le déroulement de la mitose est très étroitement contrôlé par une succession de réactions<br />enzymatiques en particulier, celles catalysées par de nombreuses protéines kinases et<br />phosphatases. Plus précisément, la sérine/thréonine kinase mitotique Aurora-A est essentielle<br />à ces processus car elle participe à la régulation de la transition G2/M, du cycle des<br />centrosomes, du fuseau mitotique et de la ségrégation des centrosomes. Aurora-A est activée<br />grâce à son interaction avec d'autres protéines telles que TPX2 et AJUBA et son activité<br />kinase est modulée par la phosphorylation de sites spécifiques. Par ailleurs, il a été récemment<br />montré in vitro que la dégradation de Aurora-A par la voie du protéasome est induite par la<br />déphosphorylation d'un résidu très conservé : la sérine 51. Ceci suggère qu'une phosphatase<br />induit la protéolyse de Aurora-A par déphosphorylation du résidu S51. Dans cette étude, nous<br />avons montré que la phosphatase PP2A et la kinase Aurora-A sont co-localisées dans les<br />centrosomes des cellules mammifères et interagissent au sein d'un même complexe. De plus,<br />l'inhibition pharmacologique de l'activité de PP2A ou l'inhibition de son expression<br />conduisent à stabiliser Aurora-A in vivo. Ces résultats indiquent que PP2A contrôle la<br />dégradation de Aurora-A in vivo. Enfin, Nous avons confirmé in vivo dans des cellules<br />mammifères que la phosphorylation du résidu S51 protège Aurora-A de la dégradation.

La réparation par excision de nucléotides (NER) est une voie critique chez l'homme pour enlever des lésions qui déforment l’hélice d'ADN et qui bloquent à la fois la réplication et la transcription. Parmi ces lésions, il y a les dimères cyclobutyliques de pyrimidines (CPDs) et les adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4PPs) induient par les rayons ultraviolets. L'importance physiologique de la NER est mise en évidence par l’existence de la maladie Xeroderma pigmentosum (XP), causée par des mutations affectant des gènes impliqués dans cette voie de réparation. Les personnes atteintes sont caractérisées par une photosensibilité extrême et une forte prédisposition à développer des tumeurs cutanées (plus de 1000 fois). Les patients atteints du type variant de la maladie Xeroderma pigmentosum (XPV), apparemment compétents en réparation, portent plutôt des mutations dans le gène codant pour l'ADN polymérase η (polη). Polη est une ADN polymérase translésionnelle capable de contourner avec une grande fidélité certaines lésions telles que les CPDs, qui autrement bloquent les polymérases réplicatives. Ainsi, la polη prévient la formation de mutations et permet la reprise de la synthèse d'ADN. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer le rôle potentiel de voies de signalisation majeures dans la régulation de la NER, dont celles régulées par la kinase ATR (Ataxia Télangiectasia and Rad3-related kinase). Suite à l'irradiation UV, ATR est rapidement activée et phosphoryle des centaines de protéines qui régulent les points de contrôle du cycle cellulaire et joue un rôle notoire dans le maintient de la stabilité génomique. Nous avons postulé qu’ATR puisse réguler la NER de manière dépendante du cycle cellulaire. Cependant, tester cette hypothèse représente un grand défi car, pour des raisons techniques, les méthodes conventionnelles n’ont pas à ce jour été adaptées pour l'évaluation de la cinétique de réparation au cours des différentes phases du cycle cellulaire. Nous avons donc développé une méthode novatrice basée sur la cytométrie en flux permettant de quantifier avec grande précision la cinétique de réparation des 6-4PPs et CPDs dans chacune des phases G0/G1, S et G2/M. Avec cette nouvelle méthode, nous avons pu démontrer que l'inhibition d'ATR ou polη résulte en une très forte inhibition de la NER exclusivement durant la phase S du cycle cellulaire. Ces études ont révélé, pour la première fois, une fonction critique pour ces protéines dans le retrait des lésions qui bloquent la réplication. En outre, nous avons démontré que la synthèse d'ADN est indispensable pour l’inhibition de la réparation en phase-S, reflétant un lien potentiel entre la NER et la réplication. Curieusement, nous avons également montré que parmi six lignées cellulaires tumorales choisies aléatoirement, trois présentent une abrogation totale de la NER uniquement pendant la phase S, ce qui indique que de nombreux cancers humains pourraient être caractérisés par un tel défaut. Nos observations pourraient avoir d'importantes implications pour le traitement du cancer. En effet, le statut de la NER semble constituer un déterminant majeur dans la réponse clinique aux médicaments chimiothérapeutiques tels que le cisplatine, qui inhibent la croissance des cellules cancéreuses via l'induction de lésions à l’ADN. / Nucleotide excision repair (NER) is a critical pathway in humans for repairing highly genotoxic helix-distorting DNA lesions that strongly block both replication and transcription. Among these lesions are ultraviolet-induced 6-4 photoproducts (6-4PPs) and cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs). The physiological importance of NER is highlighted by individuals afflicted with Xeroderma pigmentosum (XP), who carry mutations in NER pathway genes and as such exhibit extreme photosensitivity and remarkable predisposition to cutaneous tumorigenesis (1000-fold increase). On the other hand patients with the variant form of Xeroderma pigmentosum (XPV) are considered proficient in NER, and rather carry germline mutations in the gene encoding DNA polymerase η (polη). Polη is a specialized translesion DNA polymerase able to accurately bypass certain lesions including CPDs which otherwise completely inhibit the progression of normal replicative polymerases, thereby preventing mutations and allowing the resumption of DNA synthesis. The main goal of this thesis was to elucidate the potential role in NER of major DNA damage signalling cascades, including that regulated by the ataxia telangiectasia and rad 3-related kinase (ATR). Following UV irradiation, ATR is rapidly activated and phosphorylates hundreds of proteins that regulate cell cycle checkpoints and maintain genomic stability. We postulated that ATR might regulate NER in a cell cycle-specific manner. However testing this presented a great challenge, as (for technical reasons) traditional NER assays have to date not been adapted for evaluation of repair kinetics during individual phases of the cell cycle. We therefore developed a novel flow cytometry-based assay for sensitive quantification of 6-4PPs and CPDs repair efficiency during each of G0/G1, S, and G2/M. With this new assay, we were able to show that inhibition of either ATR or polη results in strong inhibition of NER capacity exclusively during S phase of the cell cycle. This revealed, for the first time, a critical function for these proteins in removal of replication-blocking DNA adducts. In addition, we demonstrated that active DNA synthesis is required for S phase-specific repair inhibition, reflecting a potential relationship between NER and replication. Intriguingly, we also showed that among six tumor cell lines, three exhibit total abrogation of NER uniquely during S phase, indicating that many human cancers may be characterized by such a defect. Our findings therefore could harbour important implications for cancer treatment. Indeed, NER status of tumors clearly appears to constitute a major determinant in the clinical response to chemotherapeutic drugs such as cisplatin, which inhibit the growth of rapidly proliferating cancer cells through induction of replication-blocking DNA lesions.

Le cancer épithélial de l’ovaire est le cancer gynécologique le plus létal. La survie à 5 ans est de 30-40% chez les patientes atteintes d’une tumeur invasive(TOV), comparativement à 95% chez les patientes diagnostiquées pour une tumeur à faible potentiel de malignité (LMP). Au laboratoire, l’analyse de l’expression des gènes de la micropuce à ADN HuFL d’Affymetrix a révélé que Cks1 est un gène dont l’expression varie entre les tumeurs LMP et TOV. En effet, ce régulateur du cycle cellulaire est surexprimé dans les tumeurs TOV par rapport aux tumeurs LMP. Nous avons donc déplété Cks1 dans des lignées cellulaires tumorales invasives du cancer de l’ovaire dérivées au laboratoire, soit la TOV112D et la TOV1946, en utilisant des shRNAs sous le contrôle d’un répresseur inductible à la tétracycline. Puis, nous avons dérivé des clones stables inductibles à la tétracycline. Les résultats obtenus nous indiquent que la déplétion de Cks1 n’a pas d’effet sur la prolifération et la migration cellulaires, ni sur la formation de structures tridimensionnelles in vitro. Ainsi, nous pouvons conclure que Cks1 ne joue pas un rôle clé dans la progression tumorale par rapport aux paramètres testés. Or, des études supplémentaires seraient nécessaires pour expliquer les différences biologiques observées entre les deux types de tumeurs étudiées, et justifier cette variation observée de l’expression de Cks1. / Epithelial ovarian cancer is the most lethal gynecologic cancer with a five-year survival rate of only 30-40% in patients diagnosed with high-grade invasive disease (TOV). This contrasts with the 95% five-year survival in patients diagnosed with the low malignant potential (LMP)disease. Previously, we have identified differential expression of Cks1 between serous LMP and TOV tumors through gene expression analysis using Affymetrix HuFL DNA microarrays. Overexpression of this cell cycle regulator was observed in the TOV tumors, but not in the LMP samples. To study its role on the invasive potential of ovarian cancer cell lines, Cks1 was depleted in two tumoral invasive ovarian cancer cell lines established in our laboratory, TOV112D and TOV1946, using an inducible shRNA strategy. Then, tetracycline-inducible stable clones were derived and studied further. Comparisons between clones and controls have shown no Cks1-dependent effect on cellular growth, neither in migration capacity nor spheroid formation. Thus, we can conclude that Cks1 does not play a crucial role in the tested parameters for cancer progression, but further experiments could elucidate the biological differences observed between the two kinds of tumors studied.

La division cellulaire est influencée par les différents stimuli provenant de l’extérieur ou de l’intérieur de la cellule. Plusieurs réseaux enzymatiques élaborés au cours de l’évolution relayent l’information générée par ces signaux. Les modules MAP kinases sont extrêmement importants au sein de la cellule. Chez l’humain, 14 MAP kinases sont regroupées en sept voies distinctes intervenant dans le contrôle d’une myriade de processus cellulaires. ERK3/4 sont des homologues de ERK1/2 pour lesquelles on ne connaît que très peu de choses concernant leurs fonctions et régulation. Ces MAP kinases sont dites atypiques puisqu’elles ont des particularités structurales et des modes de régulation qui diffèrent des autres MAP kinases classiques. Ainsi, notre laboratoire a démontré que l’activité de ERK3 est régulée par le système ubiquitine-protéasome et qu’elle pourrait avoir un rôle à jouer dans le contrôle de la différenciation et la prolifération cellulaire. La première étude présentée décrit la régulation de ERK3 au cours du cycle cellulaire. Nous avons observé que ERK3 est hyperphosphorylée et s’accumule spécifiquement au cours de la mitose. Des analyses de spectrométrie de masse ont mené à l’identification de quatre sites de phosphorylation situés à l’extrémité du domaine C-terminal. Nous avons pu démontrer que la kinase mitotique CDK1/cycline B phosphoryle ces sites et que les phosphatases CDC14A et CDC14B les déphosphorylent. Finalement, nous démontrons que la phosphorylation mitotique de ERK3 a pour effet de la stabiliser. Au début de mes études doctorales, la kinase MK5 fut identifiée comme premier partenaire et substrat de ERK3. MK5 a très peu de fonctions connues. Des données dans la littérature suggèrent qu’elle peut moduler le cycle cellulaire dans certaines conditions. Par exemple, MK5 a récemment été identifié comme inducteur de la sénescence induite par l’oncogène Ras. Dans la deuxième étude, nous décrivons une nouvelle fonction de MK5 dans le contrôle du cycle cellulaire. Nous démontrons par des expériences de gain et perte de fonction que MK5 ralentit l’entrée en mitose suite à un arrêt de la réplication. Cette fonction est dépendante de l’activité enzymatique de MK5 qui régule indirectement l’activité de CDK1/cycline B. Finalement, nous avons identifié Cdc25A comme un nouveau substrat in vitro de MK5 dont la surexpression supprime l’effet de MK5 sur l’entrée en mitose. En conclusion, nos résultats décrivent un nouveau mécanisme de régulation de ERK3 au cours de la mitose, ainsi qu’une nouvelle fonction pour MK5 dans le contrôle de l’entrée en mitose en réponse à des stress de la réplication. Ces résultats démontrent pour la première fois l’implication de ces protéines au cours de la transition G2/M. Nos travaux établissent de nouvelles pistes d’études pour mieux comprendre les rôles encore peu définis des kinases ERK3/4-MK5. / The process of cell division is largely influenced by extracellular and intracellular cues. Many enzymatic pathways refined during evolution propagate the information generated by those cues. MAP kinase modules are extremely important within the cells. Human genome encodes 14 MAP kinases genes grouped into seven distinct pathways involved in the control of many cellular processes. ERK3/4 are kinases homologous to ERK1/2. Very little is known about their regulation and molecular functions. These MAP kinases are described as being atypical based on their unique structural characteristics and mode of regulation. Our laboratory was the first to demonstrate that the activity of ERK3 is mainly regulated by the ubiquitin-proteasome system in proliferating cells. In addition, several lines of evidence suggest a role for ERK3 in the control of cell differentiation and proliferation. The first study presented herein documents the regulation of ERK3 during the cell cycle. We observed that ERK3 is hyperphosphorylated and accumulated specifically during mitosis. Mass spectrometry analyses led to the identification of four phosphorylation sites located in the C-terminal domain. We demonstrate that mitotic kinase CDK1/cyclin B phosphorylates these sites which are dephosphorylated by Cdc14A and Cdc14B phosphatases. Finally, we show that mitotic phosphorylation of ERK3 controls its stability. At the beginning of my Ph.D. training, the kinase MK5 was the first identified binding partner and substrate of ERK3. MK5 is implicated in very few cellular functions. Data suggest that under certain conditions it modulates cell cycle progression. For example, MK5 was recently identified as a tumor suppressor gene essential for ras-induced senescence. In the second study of this thesis, we describe a novel function of MK5 in cell cycle progression. Gain and loss of function experiments demonstrate that MK5 delays G2/M transition following replicative stress. This function depends on its catalytic activity to indirectly regulates CDK1/cyclin B. Finally, we identified Cdc25A as a good in vitro substrate for MK5. Interestingly, Cdc25A expression inhibits MK5-induced delay of entry into mitosis. In conclusion, our results described a novel mechanism of regulation of ERK3 during mitosis and a novel function of MK5 in the control of G2/M transition after replicative stress. These data demonstrate for the first time the relation between these kinases and the G2/M transition. Our work should contribute to a better understanding of the roles of ERK3/4-MK5 kinases.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Chez Arabidopsis thaliana, les protéines SIAMESE-RELATED (SIM/SMR1 à 13) forment une famille plante-spécifique d'Inhibiteurs de Kinase Cycline-dépendante (CKI), homologue des Kip-Related Proteins. SIM et SMR1 sont des régulateurs positifs de la transition du cycle mitotique vers l'endoréplication. L'expression des gènes SIM/SMR est induite en réponse àdes stress. L'un des stress abiotiques majeurs pour les plantes est la sécheresse. Les SIM/SMR pourraient être dégradées par la voie de la protéolyse spécifique de l'Ubiquitin Proteasome System (UPS). Les SIM/SMR sont de bons candidats pour relier l'activité du cycle cellulaire aux stimuli de l'environnement. Ce travail a démontré l'implication de la protéolyse UPS dans le contrôle posttraductionnel de tous membres SIM/SMR testés. Il démontre que SIM, SMR2 et SMR1 sont nécessaires à l'endoréplication des cellules foliaires. Lors d'un stress hydrique, l'expression des gènes SIM, SMR1, SMR3 et SMR5 est induite. Le profil spatio-temporel de ces inductions a mis en évidence deux groupes de gènes avec des fonctions distinctes. Les mutants sim, smr5 et sim.smr1.smr2 sont hypersensibles au stress hydrique.

La modélisation des systèmes biologiques, particulièrement à l'échelle moléculaire, est une problématique nouvelle, issue de l'apport des techniques à haut débit. Le défi en modélisation mathématique est de pouvoir analyser le comportement de ces systèmes dynamiques de très grande dimension. L'enjeu est de taille, car la compréhension du fonctionnement normal et pathologique des cellules au niveau moléculaire, ouvre la voie aux thérapies ciblés pour des maladies systémiques telles que le cancer. Pour s'affranchir des problèmes liés à l'imprécision des valeurs des paramètres, cette thèse propose de travailler avec des ordres, plutôt qu'avec des valeurs précises de paramètres. Ceci conduit naturellement à l'utilisation de l'analyse tropicale pour obtenir des modèles réduits et hybrides. Ces développements ouvrent des nouvelles perspectives sur le plan mathématique, concernant l'étude de systèmes dynamiques. Cette étude propose quelques résultats concernant la tropicalisation des systèmes d'équations différentielles. Une autre partie de la thèse est consacrée à l'étude numérique des systèmes hybrides. La question ici est comment construire un modèle hybride qui reproduit un comportement expérimental donné, aussi comment identifier un modèle hybride à partir de séries temporelles. Cette thèse propose un algorithme original d'identification. Cet algorithme sépare le problème en deux sous-problèmes, notamment l'identification des paramètres des modes et l'identification des paramètres de commande des modes. Des applications à relativement grande échelle sont abordées par cette approche, notamment un modèle de cycle cellulaire chez les mammifères.