Les cellules épithéliales de l'intestin possèdent une membrane plasmique spécialisée, la bordure en brosse, qui est constituée de protubérances en forme de doigts appelées microvillosités. Chaque microvillosité est composée d'un faisceau de filaments d'actine et d'un réseau en hélice de molécules de myosine I de la bordure en brosse (BBMI) formant des liens entre la membrane plasmique et les filaments d'actine. Lors de l'assemblage de la bordure en brosse, il se produit des phénomènes hautement dynamiques. En particulier, le nombre et la taille des microvillosités augmentent durant la dernière étape de différenciation des entérocytes adultes, comme au cours de la phase finale de l'embryongenèse. Le renouvellement rapide des protéines membranaires et du cytosquelette dans les entérocytes matures suggère également que des processus dynamiques ont lieu pour permettre à ces cellules de conserver leur morphologie. La dynamique des microvillosités pourrait être due à la polymérisation de l'actine qui est suffisante pour assurer la propulsion des bactéries, par exemple. Alternativement, BBMI pourrait être responsable de cette dynamique, soit en générant une force comme proposé par Sheetz pour l'extension des cônes de croissance des filopodes, soit en acheminant des composants membranaires au pôle apical de la cellule. Afin d'élucider la dynamique de BBMI et de l'actine dans la bordure en brosse des entérocytes, nous avons mis au point un instrument permettant la mesure de la mobilité tridimensionnelle des protéines dans des cellules vivantes en combinant l'imagerie de cellules vivantes en microscopie à deux photons avec la technique de FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching). Nos résultats montrent que BBMI et l'actine sont mobiles, mais avec une dynamique différente. De plus, nous avons montré, pour la première fois dans des cellules vivantes, que BBMI a une activité motrice dans les microvillosités.

Le cytosquelette d'une cellule eucaryote est constitué de trois types de polymères différents qui sont l'actine, les filaments intermédiaires et les microtubules. Ces éléments confèrent à la cellule l'essentiel de ses propriétés mécaniques telles que le maintien de l'architecture ou la modification de sa forme pour permettre le déplacement cellulaire. Ils sont également impliqués dans le transport d'organites ou de nutriments d'un bout à l'autre de la cellule, dans la ségrégation des chromosomes lors de la mitose ou encore dans le processus de division cellulaire. Pour répondre aux différents besoins de la cellule, ces filaments sont extrêmement dynamiques et peuvent se désassembler pour se réassembler à un autre endroit de la cellule. Cette dynamicité est régulée par de nombreuses protéines accessoires qui vont être capables de modifier les propriétés intrinsèques des différents filaments (dynamique, mécanique et organisatrice). Parmi ces protéines régulatrices, l'on distingue tout particulièrement les MAPs, pour Microtubule Associated Proteins, capables de modifier la dynamique et la structure des microtubules. MAP6, ou encore STOP pour Stable Tubule Only Peptide, est une MAP neuronale qui fut initialement décrite pour sa capacité à protéger les microtubules d'une exposition au froid ou encore de drogues dépolymérisantes comme le nocodazole. Des souris délétées pour le gène MAP6 montrent des troubles cognitifs et comportementaux proches des patients atteints de schizophrénie, impliquant au moins en partie des défauts de stabilisation des microtubules. Cependant, les effets de la protéine sur les microtubules restaient encore à déterminer. Dans ce contexte, à l'aide de diverses approches biochimiques et vidéomicroscopiques, nous avons montré que la protéine MAP6 est capable d’interagir de façon directe avec les microtubules in vitro et permet leur stabilisation. Elle permet aussi de réguler la dynamique des microtubules en augmentant la vitesse de polymérisation de l'extrémité (+), de diminuer la fréquence de catastrophe et l'apparition d’événements de sauvetage, de façon similaire à d'autres MAPs comme Tau ou MAP2. Cependant, contrairement aux autres MAPs, nous avons montré que MAP6 présente une dualité d'action sur le bout (-) des microtubules en diminuant et figeant très rapidement la dynamique de cette extrémité. Cette dualité pourrait ainsi conférer à MAP6 un rôle essentiel de nucléateur de microtubules en figeant l'extrémité (-) du microtubule et en favorisant la polymérisation et la stabilisation de l'extrémité (+). De plus, la protéine MAP6 est capable de modifier fortement la structure des microtubules. De part leur composition et leur rôle, les microtubules sont les éléments les plus rigides du cytosquelette et forment naturellement un tube creux linéaire. Or en présence de MAP6, les microtubules perdent cet aspect linéaire et adoptent une structure hélicoïdale (avec un pas d'environ 4,5 μm et une hauteur d'environ 1 μm) qui n'avait encore jamais été observée jusqu'à présent. La présence d'une telle population de microtubules dans la cellule pourrait ainsi apporter une certaine résistance mécanique ou encore permettre le maintien de l'architecture de l'axone. Enfin, nous avons montré que MAP6 peut aussi interagir de façon directe avec les filaments d'actines et les associer entre eux pour former des faisceaux. Dans les neurones, de nombreuses molécules ont été identifiées comme étant des régulateurs clés dans le « crosstalk » entre les filaments d'actines et les microtubules. L'interaction et la coordination entre les différents éléments du cytosquelette jouent un rôle essentiel dans la transmission et le relais du message synaptique. MAP6 pourrait être importante pour l'ensemble de ces mécanismes ce qui expliquerait les défauts de plasticité synaptique ainsi que les défauts cognitifs observés chez les souris KO MAP6. / The eukaryotic cell's cytoskeleton is constitued by three types of different polymers which are the actin filaments, the intermediate filaments and the microtubules. These elements confer on the cell the main part of its mechanical properties such as the architecture preservation or the modification of its shape to allow the cellular movement. They are also involved in the organelles or nutrients transport throughout the cell, in the chromosomes segregation during mitosis or still in the cellular division process. To answer the cell's various needs, these filaments are extremly dynamics and are able to dis-assemblate to re-assemblate in another place of the cell. Tis dynamic is regulated ny numerous proteins which are going to be capable of modifiying the intrinsic properties of the different filaments (dynamic, mechanic and structure). Among them are present the MAPs, for Microtubule-Associated Proteins, which will be able to influence the microtubule dynamics and structure. MAP6, also known as STOP for Stable Tubule Only Peptide, is a neuronal MAP which was initially described for its capacity to protect microtubule from cold or nocodazole exposure. KO MAP6 mice display cognitive and behavioral disorders close to patient with schyzophrenia, involving at least partially microtubules stabilization defects. However, the effects of the protein on the microtubules still remained to determine. In this context, using diverse biochemical and cideomicroscopy technics, we showed that MAP6 is able to directly interact in vitro with the microtubules and stabilizes them. It also regulates the microtubule dynamics by increasing the microtubule growth rate of the plus end extremity, decreases the shrinkage frequency and allows rescue of shrinking microtubules, similarly to other MAPs like Tau or MAP2. However, contrary to the other MAPs, we showed that MAP6 has another effect on the microtubule (-) end by decreazing and freezing its dynamics. This dual effect could confer to MAP6 an essential role of microtubules nucleation by stabilizing the new formed microtubule (-) end and by stabilizing and increasing the (+) end microtubule growth rate. Furthermore, MAP6 is also able to strongly modify the microtubule structure. Microtubules are the stiffest elements of the cytoskeleton and naturally form due to their composition linear hollow tubes. Yet in presence of MAP6, microtubules lose their usual shape and adopt a helical structure (4,5 μm pitch and approximatly 1 μm thickness) which had never been observed until now. The presence of such a population of microtubules in the neuron could thus provide a mechanical strength and allow the preservation of the axon architecture. Finally, we showed that MAP6 can also directly interact with the actin filaments to associate them and form bundles. In neurons, several molecules have been identified as key regulators in the " crosstalk " between actin filaments and microtubules. The interaction and coordination between the different cytoskeletal elements play a vital role in the synaptic transmission. MAP6 may be important for all these mechanisms which would explain the synaptic plasticity and cognitive defects observed in KO MAP6 mice.

Les travaux présentés se sont intéressés à la régulation des forces produites par le cytosquelette d'actine. Le rôle primordial joué par le microenvironnement a été au centre de nos investigations. L'étude de ces phénomènes a nécessité le développement de techniques innovantes. La première permet le contrôle en temps réel de la forme de la cellule. Elle utilise un laser UV pulsé pour modifier le microenvironnement adhésif de la cellule et contrôler les zones disponibles pour son étalement. La seconde est une amélioration d'une technique existante au sein du laboratoire. Il s'agit de produire des îlots de protéines d'adhésions, de forme contrôlée, sur un substrat déformable d'acrylamide. Ces supports permettent le contrôle de la taille de la cellule et de son organisation interne. En outre, l'élasticité de l'acrylamide permet la mesure des forces générées par la cellule. La dernière technique a combiné le patterning sur acrylamide avec l'ablation laser. Les forces produites au sein d'une structure particulière du cytosquelette ont ainsi pu être estimées. Deux grands mécanismes de régulation des forces ont pu être mis en évidence. L'utilisation de techniques de spectrométrie de masse, de mesure de forces et de biologie moléculaire a permis de mettre en évidence la coopération entre les différents types d'intégrines au niveau de l'adhésion cellulaire. Cette coopération permet un couplage entre l'architecture du cytosquelette et la quantité de moteurs moléculaires mettant en tension ces structures. Ces mécanismes sont primordiaux pour l'adaptation de la cellule à la rigidité de son environnement. Ce sont les structures d'actine qui produisent les forces qui seront transmises au niveau des adhésions. La corrélation entre la taille de ces structures et les forces générées est encore mal caractérisée. La relation entre taille des fibres de stress et répartition des forces au sein de la cellule a pu être étudiée et suggère que la force produite par une fibre de stress augmente avec sa longueur. Une étude systématique de la contractilité des cellules, sur des patterns de différentes tailles, a permis de montrer la relation entre la taille des fibres de stress et la force générée. Une relation biphasique a ainsi été mise en évidence. Quand la taille de la cellule augmente, la force générée au sein des fibres de stress commence par augmenter avant de diminuer au delà d'une longueur critique. Cette longueur correspond également à la taille maximale observée sur des cellules libres de s'étaler sans contraintes. Les résultats obtenus suggèrent que cette chute de force est liée à une augmentation excessive du ratio myosine/actine qui ne permet plus une production de force efficace. Le mécanisme pourrait faire intervenir le désassemblage des structures d'actine par la myosine ou la quantité insuffisante d'actine pour permettre un travail efficace des moteurs moléculaires. La rencontre de ces deux mécanismes permet de définir le champ des possibles pour la cellule en terme de contractilité. Le mécanisme de chute de forces observé n'a pas pu être expliqué à ce jour mais nous travaillons activement pour qu'il le soit dans les mois à venir. Ce phénomène aura sans doute un grand rôle à jouer dans l'intégrité mécanique des tissus et les phénomènes de migration. La chute de force au delà de la longueur critique permet en effet de déstabiliser les adhésions et pourrait être à l'origine de la rétraction de la cellule dans la migration ou du détachement d'une cellule de ces voisines dans le cas d'un tissu sous forte contraintes. Ce détachement protégerait ainsi la cellule d'un déchirement sous l'effet de forces trop importantes. / Our work has been focused on the regulation of the forces generated by the actin cytoskeleton. We have more precisely studied the role of the cellular microenvironment in this process. It was necessary to overcome some technical challenges to study these mechanisms. We developed two new techniques. The first one allows for the dynamic control of cell shape. A pulsed UV laser is used to modify the adhesive microenvironment around the cell and to create new area available for cell spreading. The second technique is an improvement of an existing technique from the laboratory. It consists in producing ECM protein islands on a elastic acrylamide substrate. This substrate provides the control of cell shape and internal organization. Plus, the elasticity of the substrate is compatible with traction forces measurements. The last technique combines acrylamide micropatterning and laser ablation of intracellular actin structures. Thus, the forces produced by a particular intracellular structure can be estimated. Two keys mechanisms of force regulation were shown. The use of mass spectrometry, traction force microscopy and molecular biology made it possible to study the interaction between different integrins in the adhesion complex. Cooperation was shown. It allows for the coupling between the architecture of the cytoskeleton and the amount of molecular motors in action. This process is necessary for the adaptation of cell forces to substrate stiffness. Actin structures are the one responsible for force production. This force can then be transmitted to the environment through adhesions.. The link between the length of actin fibers and the force produced was more precisely studied. The results showed a correlation between stress fibers length and the force generated inside it. This was true only above a certain critical value. After that, the force was rather decreasing with increasing fiber length. This critical length corresponds to the maximal length of cell axis on infinite 2D substrate. Our main hypothesis is that a too high myosin/actin ratio will block the proper force production/transmission within the fiber. Disassembly of actin by myosin or limited pool of actin are the two explanations we are currently following. The combination of these two-regulation process put brakes on force production by the cell. Above a certain length, the force produced is decreasing. This decreases in turn the strength of the adhesions anchored to these fibers. This will destabilize the adhesions and causes cell retraction The interplay between the regulation by the adhesion and the production of forces within the fiber set some limits on the level of forces produced by the cell. These processes are likely to be modified in a pathological context and can lead to tumor formation. They also protect the cell from being destroyed by stretching. If the length/stretch is too high, the cell will decrease its forces and detach from neighboring cells. This provide a system protecting the cell from being destroyed by massive deformations within the body

Le cytosquelette joue un rôle essentiel dans de nombreux processus cellulaires (division, adhésion, migration, morphogenèse..). Un de ses principaux constituants, les filaments d'actine, des polymères semi flexibles polarisés, forme des réseaux dont les architectures spécifiques permettent au cytosquelette de réaliser ses fonctions physiologiques. Un enjeu majeur en biologie cellulaire est de comprendre comment les cellules peuvent former une telle variété d'organisations à partir de la même entité de base, les monomères d'actine. Nous avons découvert récemment que limiter la nucléation des filaments d'actine à des géométries définies suffit à contrôler la formation de différentes organisations (Reymann et al, 2010). Néanmoins, les paramètres principaux permettant d'expliquer comment ces contraintes géométriques déterminent l'organisation collective des filaments n'ont pas été identifiés. Pour comprendre les lois physiques régissant ce phénomène, j'ai développé des simulations numériques du système expérimental en utilisant le logiciel Cytosim. J'ai pu ainsi montrer que la géométrie, les interactions stériques entre filaments, leurs propriétés mécaniques, et l'efficacité de la nucléation sont les paramètres clés contrôlant la formation de structures. Cette étude propose une base solide pour comprendre l'organisation cellulaire de l'actine en identifiant un système minimal de composants suffisant pour simuler l'émergence de différentes organisations d'actine (réseau branché, faisceaux de filaments parallèles ou antiparallèles). Avec cet outil, nous pouvons à présent prédire, étant donnée une géométrie de nucléation, quelles structures en émergeront.Nous avons alors combiné nos deux méthodes in-vitro et in-silico pour étudier comment le couplage entre l'architecture des réseaux et leur composition biochimique contrôle la réponse contractile. La connectivité entre les filaments en est un facteur crucial. En effet, un réseau peu connecté se déforme seulement localement, et n'instaure pas de comportement global. Une structure fortement connectée est très rigide, les moteurs moléculaires ne peuvent donc pas la déformer efficacement. La contraction d'une structure n'est donc possible que pour des valeurs de connectivité intermédiaires. L'amplitude de cette contraction est alors déterminée par l'organisation des filaments. Ainsi nous avons pu expliquer comment l'architecture mais aussi la connectivité des réseaux gouverne leur contractilité.Finalement, les microtubules sont aussi des acteurs essentiels aux processus cellulaires. Étant longs et rigides, ils servent de senseurs de la forme cellulaire et organisent les organites. Leur distribution spatiale, facteur majeur pour l'organisation cellulaire, est contrôlée dans un grand nombre de types cellulaires par la position du centrosome, un organite qui nuclée la plupart des microtubules. La capacité du centrosome à trouver le centre de la cellule dans de nombreuses conditions physiologiques est particulièrement étonante. Il peut aussi adopter une position décentrée lors de processus cellulaires spécifiques. Des mécanismes pouvant potentiellement expliquer le positionnement du centrosome ont été proposés (Manneville et al., 2006; Zhu et al, 2010), mais ce phénomène reste dans sa plus grande partie inexpliqué. J'ai utilisé les simulations pour explorer différents mécanismes pouvant le contrôler selon différentes conditions. Ces résultats permettent de disposer d'une base théorique pour présumer des mécanismes intervenant dans un système donné. Ils peuvent aussi permettre de valider ou réfuter des hypothèses sur les phénomènes mis en jeu et aider à l'élaboration de nouveaux systèmes expérimentaux.Les simulations que j'ai développées aident ici à étudier des comportements spécifiques, en apportant de nouveaux éclairages sur les comportements collectifs du cytosquelette. Elles pourraient être utilisées comme un outil prédictif ou adaptées pour l'étude d'autres systèmes expérimentaux. / The cytoskeleton plays a crucial role in cellular processes, including cell division, adhesion, migration and morphogenesis. One of its main compenent, the actin filaments, a polarised semi-flexible polymer, contributes to these processes by forming specific collective architectures, whose structural organisations are essential to perform their functions. A major challenge in cell biology is to understand how the cell can form such a variety of organisations by using the same basic entity, the actin monomers. Recently we discovered that limiting actin nucleation to specific regions was sufficient to obtain actin networks with different organization (Reymann et al., 2010). However, our understanding of the general parameters involved in geometrically-driven actin assembly was limited. To understand mechanistically how spatially constraining actin nucleation determines the emergent actin organization, I performed detailed simulations of the actin filament system using Cytosim, a simulation tool dedicated to cytoskeleton system. I found that geometry, actin filaments local interactions, bundle rigidity, and nucleation efficiency are the key parameters controlling the emergent actin architecture. This study sets the foundation for our understanding of actin cellular organization by identifying a reduced set of components that were sufficient to realistically reproduce in silico the emergence of the different types of actin organization (branched actin network, parallel or anti parallel actin bundles). We can now predict for any given nucleation geometry which structures will form.Being able to control the formation of specific structures in-vitro and in-silico, we used the combination of both methods to study how the interplay between actin network architecture and its biochemical composition affects its contractile response. We highlighted the importance of the connectivity between filaments in the structures. Indeed, a loosely connected network cannot have a global behavior, but undergoes only local deformations. A highly connected network will be too rigid to be efficiently deformed by molecular motors. Only for an intermediate range of network connectivity the structures will contract, with an amplitude that depends notably on actin filaments organisation. This work explains how architecture and connectivity govern actin network contractility.Finally, the microtubules are also essential actors of cellular processes. Being long and rigid, they serve as sensors of the cellular shape and can organize the position of organelles in the cytoplasm. Their spatial distribution in the cell is thus a crucial cellular feature. this distribution is determined in a vast number of cell types by the position of the centrosome, an organelle that nucleates the majority of microtubules. Quite strinkingly, the centrosome is able to find the center of the cell in a lot of different physiological conditions, but can nonetheless adopt a decentered position in specific cellular processes. How this positioning is controled is not yet fully understood, but a few potential mechanims have been proposed (Manneville et al., 2006; Zhu et al., 2010). I used the simulations to explore different mechanisms taht can explain the position of the centrosome under different conditions. These results offer theorical considerations as a basis to assess which mechanism might prevail in a specific experimental system and may help to design new experimental setups.The simulations that I developed helped to study some specific behavior, by giving new insights into cytoskeleton collective organisations. These simulations can be further used as predictive tool or adapted to other experimental systems.

Trypanosoma brucei, un parasite flagellé unicellulaire, est responsable de la trypanosomiase humaine africaine aussi connue comme la maladie du sommeil.Les microtubules (MTs) sous-pelliculaires, le quartet de MTs (MTQ), le flagelle (F) et le collier de la poche flagellaire (CPF) sont les principaux composants du cytosquelette dutrypanosome. À ce jour, une seule protéine du CPF, BILBO1, a été identifiée et caractérisée.Dans cette étude, nous montrons in vivo que BILBO1 forme des polymères capables deconstruire un échafaudage qui permet l’ancrage de protéines partenaires. Ainsi, un crible en double hybride chez la levure a identifié plusieurs protéines partenaires de BILBO1,notamment une nouvelle protéine appelée FPC4. Nous démontrons que FPC4 est une protéine spécifique des kinétoplastides, localisée au CPF mais aussi au hook-complex, une structure proche du CPF. L’interaction FPC4 – BILBO1 est démontrée in vitro et in vivo, etles domaines d'interaction identifiés. En outre, nous démontrons in vivo et in vitro que FPC4est une protéine associée aux microtubules. Nos données suggèrent fortement que FPC4est impliquée dans le processus de séparation des CPFs au cours du cycle cellulaire. Nos résultats mettent en évidence un lien étroit entre le MtQ et le CPF et l'implication probable duhook-complex. Enfin, nous mettons en évidence une structure analogue au hook-complex chez les Leishmanies. L’interaction BILBO1 – FPC4 représente une nouvelle cible thérapeutique et sera caractérisée plus avant. / Trypanosoma brucei, a unicellular flagellated parasite, is responsible for the human African trypanosomiasis also known as sleeping sickness. Sub-pellicular microtubules (MT), the MT quartet (MtQ), the flagellum (F) and the Flagellar Pocket Collar (FPC) are the main components of the T. brucei cytoskeleton. To date, only a single FPC protein, BILBO1, has been identified and characterized. In this study we demonstrate in vivo that BILBO1 forms polymers able to build a scaffold structure that anchors partner proteins. As such, a yeast-2-hybrid screen identified several BILBO1 interacting protein partners. We demonstrate that FPC4 is a kinetoplastid-specific protein, which is localized at the FPC and at the hook complex. Its specific interaction with BILBO1 has been demonstrated in vitro and in vivo, and the interacting domains identified. Furthermore, we demonstrate that FPC4 is a microtubule binding protein. Our data strongly suggest that FPC4 is involved in the separation of the old and the newly formed FPC during the cell cycle. Altogether, our results demonstrate a tight connection and interplay between the MtQ and the FPC and the likely involvement of an adjacent third structure, the hook complex. Finally, we highlight a structure similar to the hook-complex in Leishmania. The BILBO1 – FPC4 interaction represents a new therapeutic target and will be characterized further.

Le virus de la maladie de Marek (MDV) est un α-herpèsvirus aviaire responsable de lymphomes chez la poule. En absence de virions libres détectables en culture cellulaire, il est couramment admis que ce virus se dissémine uniquement de cellule à cellule par un mécanisme non identifié à ce jour. Mon travail de thèse comprenait 3 parties. La première avait pour objectif d’étudier la contribution des contacts cellulaires et de possibles virions extracellulaires dans la dissémination de MDV. La seconde partie visait à étudier le rôle du cytosquelette d’actine dans la dissémination intercellulaire du MDV et l’implication des voies de signalisation des RhoGTPases. J’ai montré que l’activité de la voie Rho-ROCK favorise la dissémination du MDV au contraire de la voie Rac-PAK. Un possible lien entre la dissémination du MDV et les jonctions adhérentes, maintenues par l’activité de la voie Rho-ROCK, est discuté. Enfin, la troisième partie avait pour but le développement d’un nouveau test de dissémination entre cellules sur un cycle viral unique. Pour cela, j’ai construit un virus MDV rapporteur inductible et des lignées cellulaires aviaires exprimant une flippase. / Marek’s disease virus (MDV) is an avian α-herpesvirus which is responsible for lymphomas in chicken. In absence of detectable cell-free virions in cell culture, it is well admit that this virus only spread from cell-to-cell. The involved mechanisms remain unknown. My thesis work was divided in three parts. The objectives of the first one were to study the contribution of cell contacts and of potential extracellular infectious virions on MDV spread. The second part aimed at studying the role of the actin cytoskeleton in MDV intercellular spread and the involvement of RhoGTPase signaling pathways. I showed that the Rho-ROCK signaling pathway promotes the dissemination in contrast to the Rac-PAK signaling pathway. A possible link between MDV spread and adherens junctions, maintained by Rho-ROCK signaling, is discussed. The third and last part had the purpose to develop a new assay of MDV spread between cells on a single viral cycle. For this, I built an inducible reporter MDV virus and avian cell lines expressing a flippase.

La maladie d'Alzheimer (AD) est une pathologie neurodégénérative caractérisée par une atrophie cérébrale progressive associée à une mort neuronale. Plus récemment, il a été suggéré que la perte des fonctions cognitives survenant pendant la maladie s'explique principalement par une atteinte au niveau synaptique préalable à la mort neuronale. Ainsi il a été observé que le peptide β-amyloïde ou Aβ constituant des plaques séniles, l'un des deux marqueurs histologiques de la maladie, existe sous une forme soluble/oligomérique (Aβo), et cette conformation lui confère des propriétés synaptotoxiques. L'Aβo agit préférentiellement sur le compartiment post-synaptique des synapses excitatrices également appelées épines dendritiques, structures sub-cellulaires dont la forme est régie par un cytosquelette d'actine riche et dynamique. Parmi les nombreuses hypothèses émises pour expliquer la synaptotoxicité de l'Aβo, il a été suggéré que la disparition des épines était due à une dépolymérisation anormale des filaments d'actine par une enzyme : la cofiline. Pourtant des données récentes ont montré à l'inverse une phosphorylation/inactivation de la cofiline dans le cortex frontal de patients AD, mais aussi dans le cerveau de la lignée de souris APP/PS-1, modèle de AD. De plus, des analyses morphologiques des synapses de la région CA1 chez la souris APP/PS-1 ont montré une réduction de la densité d'épines, associée à une augmentation du volume des épines survivantes. Les variations de volume de la tête de l'épine sont des phénomènes très fréquents lors d'une induction de potentialisation à long terme, le corrélat électrophysiologique de la mémoire.. Au cours de ma thèse, nous avons cherché dans un premier temps à caractériser les altérations morphologiques des épines dendritiques chez la souris APP/PS-1 par microscopie électronique. Nous avons pu confirmer que dès 3 mois, les synapses excitatrices sont moins nombreuses, que les épines restantes sont plus larges, mais surtout, que l'épaisseur de la densité post-synaptique n'est plus proportionnelle à la surface de l'épine, ce qui suggère un découplage entre modifications morphologiques et fonctionnelles. Nous avons également mis en évidence la présence de spinules anormales sur les épines.En utilisant des cultures primaires de neurones corticaux, nous avons pu montrer qu'un traitement aigu avec de l'Aβo induit la formation de protrusions riches en actine filamenteuse ressemblant aux spinules observés chez les animaux transgéniques. En purifiant la fraction post-synaptique, nous avons montré que cette formation de protrusions est concomitante à une phosphorylation anormale de la cofiline induite par l'Aβo. Ainsi l'inactivation de la cofiline qui en résulte pourrait être à l'origine d'une stabilisation et donc d'un allongement des filaments d'actine synaptique conduisant à la formation des protrusions. Cette inactivation de la cofiline a également été retrouvée chez la souris APP/PS-1 et chez l'humain. En conclusion, l'ensemble des résultats de cette thèse montre que l'Aβo induit des déformations morphologiques des épines, qui se caractérisent par la formation de protrusions membranaires ressemblant à des spinules. Ces protrusions ne sont pas activité-dépendantes, mais proviennent plutôt d'une dérégulation de l'activité enzymatique de la cofiline par l'Aβo. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative pathology associated with progressive cerebral atrophy linked to neuronal death. It has been recently suggested that loss of cognitive functions occurring during the disease was a consequence of synapse dysfunction and prior to neuronal death. Thus, it has been observed that Amyloïd-β peptide (Aβ), the main component of senile plaques, one histological marker of the disease, also exists as soluble/oligomeric Aβ (Aβo). This Aβ conformation is known to be synaptotoxic. Aβo acts preferentially on the post-synaptic compartment of excitatory synapses, also named dendritic spines, sub-cellular micro-domains containing dynamic and filamentous actin as their main cytoskeleton component. Among numerous theories explaining Aβo synaptotoxicity, it has been suggested that spine collapsing was due to an abnormal actin depolymerisation through Cofilin enzyme. Yet, recent evidences inversely showed Cofilin phosphorylation/inactivation in frontal cortex of AD patients and in the APP/PS-1 transgenic mice brain, an AD animal model. Moreover, synapse morphological analysis in the CA1 region of APP/PS-1 mice showed a reduction in spine density and an increase in spine head volume of remaining ones. Spine head volume variations are commonly occurring during induction of Long Term Potentiation, the electrophysiological correlate of memory.During my thesis, we firstly characterized APP/PS-1 mice dendritic spine morphological alterations using electron microscopy. We confirmed that even at 3 month-old, excitatory synapses are fewer, but also that remaining ones display larger surfaces. In addition, PSD thickness is not proportional to spine surface anymore, which suggests an uncoupling between functional and morphological modifications. We also demonstrated the presence of abnormal shaped spinules onto spines.Using primary cortical neuron cultures, we demonstrated that acute Aβo treatment induces the formation of filamentous actin enriched protrusions, resembling spinules observed in transgenic mice. By purifying post-synaptic protein fraction, we showed that protrusions formation is correlated to an abnormal Cofilin phosphorylation/inactivation by Aβo. Thus, resulting Cofilin inactivation could trigger actin filament stabilization, leading to protrusion formation. We also found Cofilin phosphorylation in APP/PS-1 mice and in AD brains. Taken together, these results show that Aβo triggers dendritic spine abnormal alterations, characterized by the formation of membrane protrusions ressembling spinules. These protrusions are not activity-dependant, but may instead originate from a disregulation of Cofilin enzymatic activity by Aβo.

Dans les cellules il existe deux grandes sources d’énergie : l’ATP et la force proton-motrice, produites au niveau du cytoplasme et de la membrane interne respectivement. La mise en place de processus actifs dans la membrane externe ou à la surface des bactéries à Gram négatif requière la présence de machineries protéiques transmettant les forces de leur lieu de production à leur lieu d’utilisation. Durant ma thèse j’ai étudié une de ces machines : la machinerie de motilité (Agl-Glt) de Myxococcus xanthus. Plus précisément, j’ai cherché à comprendre comment les composants de cette machine s’organisent pour permettre le déplacement d’une bactérie. J’ai montré que l’assemblage de la machinerie de motilité au pôle avant des cellules nécessite la formation d’une plateforme cytosolique sur laquelle vient se fixer la machine Agl-Glt. Sous l’action du moteur, le complexe interne de la machine se déplace en direction du pôle arrière en suivant une trajectoire hélicoïdale de main droite. Au niveau de la surface les protéines de membrane externe sont recrutées au niveau d’adhésions focales et permettent l’ancrage de la machinerie au substrat. Enfin, la transmission des forces de la membrane interne à la surface par la machinerie de motilité génère le déplacement des cellules selon une trajectoire hélicoïdale de main gauche. Finalement, cette étude a révélé l’existence d’une machine protéique de l’enveloppe dont l’activité repose sur l’association d’un moteur linéaire et du cytosquelette bactérien. De par l’homologie qu’il existe entre les systèmes il est possible de proposer que ce type de machines peut-être retrouvé associées à d’autres fonctions que la motilité cellulaire. / Two energy sources are present in cells: the ATP and the Proton Motive Force, produced in the cytoplasm and inner membrane respectively. Active processes in the outer membrane or on the surface of Gram negative bacteria require the presence of a proteic machinery to transduce the forces from their production site, in the cytoplasm or inner membrane, to their usage site. During my thesis I have studied one of these machineries: the motility machinery (Agl-Glt) of Myxococcus xanthus. More precisely, I try to understand how the components of this transmembrane machinery interact with each other to promote cell motility. I have shown that the assembly of the motility machinery at the leading pole requires the formation of a cytoplasmic platform onto which the Agl-Glt machinery is going to nucleate. The inner-membrane motor complex moves intracellularly along a right-handed path in the cell and becomes stationary at focal adhesion sites on the surface through the connection of the motor to the outer membrane proteins of the complex. This powers the left-handed helical motion of the bacteria. Finally, this study reveals the existence of a dynamic transmembrane machinery which associates the bacterial cytoskeleton to a linear motor to promote cell movement. The homology between the systems tells us that this type of motor is likely to be found associate with other function than cell motility.

Les mutations non-sens représentent environ 10% des mutations trouvées dans les maladiesgénétiques héréditaires. Les ARNm portant une mutation non-sens sont dégradés par un mécanismeappelé nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pour empêcher la synthèse de protéines tronquéesqui pourraient être toxiques ou non-fonctionnelles pour la cellule. Plusieurs stratégies ont étédéveloppées pour sauver une mutation non-sens. Dans notre laboratoire, nous étudions deux d'entreelles qui sont (i) l'inhibition du NMD et (ii) l'activation de la translecture du PTC qui est un mécanismeconduisant à l'incorporation d'un acide aminé à la position du PTC. Pour trouver de nouveauxmoyens thérapeutiques pour les maladies génétiques héréditaires, notre laboratoire a testédifférentes molécules par criblage, pour identifier celles qui ont la capacité d'inhiber le NMD. Chaquemolécule sélectionnée par le crible est étudiée afin de mesurer son efficacité d'inhibition du NMD etd'activation de la translecture. Nous avons ainsi montré que i'amlexanox non seulement inhibe NMDmais active également la translecture du PTC. Cependant, l'efficacité de I'amlexanox reste modeste.Nous avons donc recherché d'autres familles de molécules qui sont capables de sauver une mutationnon-sens et qui ont une efficacité de correction des mutations non sens meilleure ou démontrentune plus grande spécificité. Dans mon étude, j'ai trouvé deux familles de protéines particulières quesont les inducteurs d'apoptose et les inhibiteurs du cytosquelette. J'ai trouvé que les inducteursd'apoptose peuvent inhiber le NMD en activant les caspases qui clivent les facteurs du NMD (UPF1 etUPF2). J'ai aussi montré que les inhibiteurs du cytosquelette peuvent inhiber le NMD et que certainsd'entre eux peuvent activer la translecture de PTC en induisant les facteurs du NMD (UPF1 et / ouUPF3X) à se concentrer dans les P-bodies et/ou dans d'autres foyers cytoplasmiques. Les rendementsde ces molécules sur l'inhibition du NMD sont similaires ou meilleure que I'amlexanox. Les inducteursd'apoptose et les inhibiteurs du cytosquelette nous démontrent qu'il est possible de trouver desmolécules très différentes capables de corriger des mutations non sens avec une bonne efficacité. / Nonsense mutations represent approximately 10% of mutations found in the inherited geneticdiseases. mRNAs harboring a nonsense mutation are rapidly degraded by a quality-controlmechanism called nonsense-mediated mRNA decay (NMD) to prevent the synthesis of toxic or nonfunctionaltruncated proteins. Some stratégies have been developed to correct nonsense mutations.In our lab, we study 2 of them which are (i) the NMD inhibition and (ii) the PTC-readthroughactivation which is a mechanism leading to the incorporation of an amino-acid at the PTC position. Todesign new therapeutic tools for the inherited genetic diseases, our lab tested molecules byscreening to find ones with the capacity of NMD inhibition. For each molecules selected in thescreen, we measure the efficiency of NMD inhibition and PTC-readthrough activation of thesemolecules in cell lines harboring a nonsense mutation. We have shown that amlexanox not onlyinhibits NMD but also activâtes PTC readthrough. But the efficacy of amlexanox is still low. Wewanted to find other families of molecules capable of rescuing the expression of nonsense mutationcontainingmRNA with a higher efficacy or with some specificity. In my study, I found two spécialfamilies, one is the family of apoptosis inducers and the other is the family of cytoskeleton inhibitors.I found that apoptosis inducers can inhibit NMD by activating caspase pathway and cleave NMDfactors (UPF1 and UPF2). I also found that cytoskeleton inhibitors can inhibit NMD and some of themcan activate PTC-readthrough by inducing NMD factors (UPF1 or/and UPF3X) to concentrate in Pbodiesor in other cytoplasmic foci. The efficiencies of these molecules on NMD inhibition are similaror higher than amlexanox. Apoptosis inducers and cytoskeleton inhibitors demonstrated thatmolecules which can inhibit NMD or/and activate PTC-readthrough can be found and candemonstrate a higher correction of nonsense mutation efficiency than the existing molecules(ataluren or amlexanox for example).

Les canaux ioniques sont des déterminants majeurs de la forme et de la durée du potentiel d'action (PA) cardiaque. Leur expression fonctionnelle à la membrane plasmique résulte d'une balance entre les voies antérograde et rétrograde du trafic intracellulaire, ainsi que de leur prise en charge par des compartiments endosomaux afin d'être recyclés ou dégradés. Le canal KV1.5 porte le courant principal de repolarisation atriale chez l'homme, IKur, et est impliqué dans la physiopathologie de la fibrillation atriale (FA). La FA est caractérisée par un raccourcissement de la durée du PA lié à un courant IKur augmenté et un courant ICaL diminué et est favorisée par l'augmentation des contraintes mécaniques. Ainsi, le canal KV1.5 constitue une cible majeure pour le développement d'anti-arythmiques spécifiques de l'oreillette. Ce projet avait pour but de mieux comprendre comment est régulée l'expression fonctionnelle des canaux KV1.5 dans les myocytes atriaux. Dans un premier temps, nous avons montré que le shear stress entraîne une augmentation du courant IKur impliquant la voie de mécanotransduction intégrine?1/FAK et l'endosome de recyclage lent. Dans les cellules hypertrophiées, cette voie de mécanotransduction est hyperactivée et le courant IKur est ainsi augmenté. Dans un second temps, nous avons montré que la voie d'endocytose des canaux KV1.5 est dépendante de la clathrine et que les microtubules sont principalement impliqués dans l'internalisation et la dynamique du canal à la surface des cellules. Ainsi, ce travail a permis de mieux caractériser les acteurs du trafic impliqués dans la régulation de l'expression fonctionnelle du canal KV1.5 dans les cardiomyocytes atriaux. / Ion channels are major determinants of shape and duration of the cardiac action potential (AP). Their functional expression at the sarcolemma is a dynamic process resulting from a balance between anterograde (exocytosis) and retrograde (endocytosis) pathways, and the involvement of the endosomal compartments which direct ion channels towards recycling or degradation. KV1.5 channel carries IKur current which constitutes the main atrial repolarizing current in human and which is involved in atrial fibrillation (AF). Mechanical forces and shortening of the AP duration are linked to an increased in IKur current and decreased ICaL current. Therefore, KV1.5 channel constitutes a major target for the development of atria-selective antiarrhythmic drugs. The aim on this project was to better understand how functional expression of KV1.5 channels in atrial myocytes is regulated. Firstly, we showed that shear stress triggers an increase in IKur current implying the integrinβ1/FAK mecanotransduction pathway. This process requires an intact microtubule network and involves the Rab11-associated recycling endosome. In hypertrophied cells, the mecanotransduction pathway is overactivated. Consequently, IKur is increased. Secondly, we demonstrated that KV1.5 channel endocytosis is mediated by the clathrin pathway. We showed that microtubules are involved in the internalization and dynamics of KV1.5 channel in the membrane. Therefore, this work provides a better understanding of the different players involved in the trafficking of KV1.5 channel and shed new lights on the functional regulation of this atria-specific channel.