Abstract Wnt genes encode secreted signalling molecules that control embryonic development including organogenesis, while dysregulated Wnt signalling is connected to many diseases such as cancer. Specifically, Wnts control a number of cellular processes such as proliferation, adhesion, differentiation and aging. Many Wnt proteins activate the canonical β-catenin signalling pathway that regulates transcription of a still poorly characterized set of target genes. Wnts also transduce their signaling in cells via β-catenin-independent “non-canonical” pathways, which are not well understood. In this study, Wnt-11 signalling mechanisms in a mammalian model cell line and roles of Wnt-11 in heart development were analyzed in detail. In addition the aim was to identify new Wnt target genes by direct chromatin immunoprecipitation and Affymetrix GeneChip assays in the model cells exposed to Wnt-3a. Our studies reveal that Wnt-11 signalling coordinates the activity of key cell signalling pathways, namely the canonical Wnt/β-catenin, the JNK/AP-1, the NF-κB and PI3K/Akt pathways in the CHO cells. Analysis of the Wnt-11-deficient embryos revealed a crucial role in heart organogenesis. Wnt-11 signalling coordinates cell interactions during assembly of the myocardial wall and Wnt-11 localizes the expression of N-cadherin and β-catenin to specific cellular domains in the embryonic ventricular cardiomyocytes. Collectively these studies reveal that the mammalian Wnt-11 behaves as a non-canonical Wnt and that it is a critical factor in the coordination of heart development. Specifically, it controls components of the cell adhesion machinery. Analysis of the Wnt target genes revealed a highly context-dependent profile in the Wnt-regulated genes. Several new putative target genes were discovered. Out of the candidate Wnt target genes, Disabled-2 was identified as a potential new direct target for Wnt signalling.

Dans de nombreuses pathologies digestives dont les maladies inflammatoires chroniques intestinales (MICI), l'intégrité de la barrière épithéliale est rompue. Cette perte d'intégrité est notamment due à la réduction ou la perte d'expression des jonctions adhérentes composées du complexe E-cadhérine/caténines. Il est donc important d'identifier de nouvelles molécules capables de réguler ce complexe dans les MICI. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéréssés à une levure non pathogène, Saccharomyces boulardii (Sb) utilisée dans la prévention et le traitement de désordres gastro-intestinaux et qui présente des bénéfices thérapeutiques chez les patients atteints de MICI, notamment en régulant l'intégrité de la barrière intestinale. L'étude que nous avons réalisée sur des explants tissulaires provenant de patients atteints de MICI nous a permis de mettre en évidence que le surnageant de Sb (Sbs) protège la morphologie tissulaire et maintient l'expression de la E-cadhérine à la membrane. In vitro nous avons également pu montrer que Sbs accélère la ré-expression de la E-cadhérine à la membrane en régulant son recyclage par les endosomes (Rab11A), entrainant ainsi la restauration et le renforcement de la barrière épithéliale intestinale. / Some intestinal pathologies including inflammatory bowel disease (IBD) are associated with an altered barrier function. The reduction or the lost of adherens junctions composed by E-cadherin/catenins complex are linked to changes in the barrier integrity. Characterization of molecules targeting the E-cadherin/catenins complex during IBD is crucial for the development of alternative therapies. From this perspective, we focus ours studies on a non pathogenic yeast, Saccharomyces boulardii, used to prevent and treat gastro-intestinal disorders and may have beneficial effects in IBD treatment, including the regulation of barrier integrity. Ours studies on colonic explants from IBD patients showed that Sb supernatant (Sbs) protects epithelial morphology and maintains E-cadherin expression at the cell surface. In vitro study pointed out that Sbs accelerated the recovery of E-cadherin at the cell membrane. This process involved the modulation of the recycling of E-cadherin by endosomes (Rab11A), leading to restoration and strengthening of intestinal barrier function.

L’obstruction des vaisseaux est responsable d’ischémie tissulaire dans différents territoires périphériques, cardiaques et cérébraux. Un des mécanismes d’adaptation du tissu à l’ischémie est la formation de néo-vaisseaux. Plusieurs données récentes mettent en évidence un rôle de la voie de signalisation Wnt/Frizzled (Fzd) dans le développement vasculaire. Le travail de cette thèse s’est focalisé sur l’étude du récepteur Frizzled7 (Fzd7) et de son rôle dans la formation des vaisseaux. Le modèle des corps embryoïdes, un modèle de différenciation des cellules souches embryonnaires vers le phénotype endothélial, nous a permis de démontrer que Fzd7 était exprimé au cours des différentes étapes de différenciation endothéliale. Des études sur des cellules endothéliales matures nous ont permis de montrer que Fzd7 régulait différentes propriétés des cellules endothéliales dont la migration et la formation de tubes endothéliaux, mais pas la prolifération. De plus, Fzd7 participe à la stabilité des jonctions cellulaires en interagissant avec la VE-cadhérine. Concernant les mécanismes moléculaires mis en jeu par Fzd7, nous avons pu montrer que celui-ci était capable d’activer la voie Wnt/PCP via la phosphorylation de la protéine JNK. Enfin, une étude in vivo dans le modèle du poisson Zèbre, nous a permis de mettre en évidence un rôle de Fzd7 dans la formation des vaisseaux intersomitiques. La deuxième partie de ce travail concerne le rôle de la voie Wnt/Fzd dans les propriétés angiogèniques des cellules souches mésenchymateuses (CSM). L’objectif de cette étude était de définir comment les CSM participaient à la formation des vaisseaux et si le système Wnt/Frizzled était nécessaire. Nous avons pu montrer que sFRP1, un modulateur de la voie Wnt, améliore la fonction cellulaire des CSM et contribue à la maturation des néo-vaisseaux. De plus, nous avons pu montrer que les CSM implantées dans un modèle d’ischémie du membre inférieur amélioraient la réponse angiogénique lorsque celles-ci étaient préconditionnées en hypoxie. Nous avons mis en évidence le rôle de Wnt4 dans ce processus. / The obstruction of the vessels is responsible for ischemia in various outlying areas, heart and brain. One of the mechanisms of tissue adaptation to ischemia is the formation of neo-vessels. Several recent data show a role of Wnt/Frizzled (Fzd) pathway in vascular development.The work of this thesis focused on the study of receptor Frizzled7 (Fzd7) and its role in vessel formation. Using the model of embryoid bodies, a model of embryonic stem cell differentiation toward the endothelial lineage, we demonstrated that Fzd7 was expressed during different stages of endothelial cell differentiation. Studies on mature endothelial cells have shown that Fzd7 regulates endothelial cells properties including migration and endothelial tube formation but not proliferation. In addition, Fzd7 participates in the stability of cell junctions by interacting with VE-cadherin. Regarding the molecular mechanisms involved in Fzd7 signalling, we could show that this receptor was capable of activating the Wnt/PCP pathway via phosphorylation of JNK protein. Finally, an in vivo study in zebrafish model, allowed us to highlight a role of Fzd7 in intersomitic vessel formation.The second part of this work concerns the role of the Wnt/Fzd pathway in the angiogenic properties of mesenchymal stem cells (MSC). The objective of this study was to determine how CSM participated in vessel formation and if the Wnt/Frizzled pathway was necessary. We show that sFRP1, a modulator of the Wnt pathway, improves cellular function of MSCs and contributes to the maturation of neo-vessels. In addition, we have shown that MSCs implanted in a model of lower limb ischemia improved the angiogenic response when they were preconditioned by hypoxia. We have highlighted the role of Wnt4 in this process.

L'éminence ganglionnaire médiale (MGE) produit la grande majorité des interneurones GABAergiques corticaux synthétisant la parvalbumine. Les neuroblastes issus de la MGE migrent sur une longue distance avant d'atteindre leur destination finale. A ce jour, on ne sait pas s'il existe des mécanismes moléculaires les guidant vers des régions corticales données. Je montre que deux protéines apparentées aux cadhérines, cdhr23 et cdhr15, ont un rôle déterminant dans le développement d'interneurones du cortex auditif et de manière spécifique. Chez la souris et le macaque, ces deux protéines sont co-synthétisées par des neuroblastes issus de la MGE pendant leur migration. Chez les souris déficientes pour Cdhr23 ou Cdhr15, les neuroblastes synthétisant cdhr15 ou cdhr23 s'accumulent dans le télencéphale basal, ne parviennent pas à pénétrer dans le néocortex et présentent in vitro des défauts de polarité cellulaire. Cdhr15 intervient dans la survie des précurseurs d'interneurones à parvalbumine pendant la première semaine postnatale. Les souris mutantes pour Cdhr23 ou Cdhr15 présentent à trois semaines un nombre réduit d'interneurones à parvalbumine dans leur cortex auditif mais pas dans les cortex avoisinants. Cette diminution est associée à une disposition aux crises audiogènes. Mes résultats indiquent que des précurseurs d'interneurones du cortex auditif sont équipés de protéines d'adhérence déterminantes pour leur migration et leur intégration dans le cortex auditif. Ils suggèrent l'existence d'un possible mécanisme moléculaire général fondé sur un " code d'adhérence " qui déterminerait les neuroblastes GABAergiques dès leur naissance à intégrer une aire corticale donnée. / The medial ganglionic eminence (MGE) gives rise to the majority of cortical GABAergic interneurons that synthetize parvalbumin. Neuroblasts born in the MGE undergo a long distance migration before reaching their final target. Up to now, it is unknown whether any molecular mechanism guides them to specific cortical regions. I show that two cadherin-related proteins, cdhr23 and cdhr15, have a critical role in the development of interneurons of the auditory cortex, specifically. In mice and macaque, the two proteins are co-synthetized in neuroblasts from the MGE during their migration. In mouse mutants for Cdhr23 or Cdhr15, neuroblasts synthetizing cdhr15 or cdhr23 accumulate in the basal telencephalon, fail to enter the neocortex and present in vitro cell polarity defects. Cdhr15 is involved in the survival of parvalbumin interneuron precursors during the first postnatal week. Mutant mice for Cdhr23 and Cdhr15 show at three weeks a reduced number of parvalbumin interneurons in the mouse auditory cortex but not the neighbouring ones. This decrease is associated with a susceptibility to audiogenic seizures. My results reveal that interneuron precursors of the auditory cortex are endowed by specific adhesion proteins critically involved in their migration and integration in the auditory cortex. They suggest a possible general molecular mechanism based on an "adhesion code” that would determine GABAergic neuroblasts from their birth to a specific cortical region.

L'intérieur des cellules eucaryotes est compartimenté en organites qui échangent des lipides et protéines entre eux et avec la membrane plasmique via le trafic vésiculaire. Dans les cellules polarisées comme les cellules épithéliales, dont la membrane plasmique est divisée en un pôle apical et un pôle basolatéral séparés par une ceinture de jonctions, le trafic vésiculaire est contrôlé par des systèmes de tri polarisé, permettant d'adresser les protéines appropriées au domaine membranaire approprié. Dans ces cellules épithéliales, le complexe adaptateur AP-1 contrôle l'adressage au pôle basolatéral et le trafic de la molécule d'adhésion E-Cadhérine, une protéine transmembranaire des jonctions d'adhérence. Il a de plus été démontré dans les cellules intestinales du nématode C. elegans et des mammifères qu'AP-1 est nécessaire au maintien de la polarité épithélial. J'ai étudié ces fonctions d'AP-1 chez l'organisme modèle Drosophila melanogaster. J'ai montré qu'AP-1 contrôle aussi le trafic de E-Cadhérine chez la Drosophile mais n'est pas requis pour la maintenance de la polarité de l'épithélium folliculaire, un épithélium entourant le cyste germinal femelle de 16 cellules au cours de l'ovogénèse chez la Drosophile. Ces expériences dans ce tissu m'ont amené à découvrir une nouvelle fonction de E-Cadhérine dans le cyste germinal. Les cellules de ce cyste sont connectées entre elles par des ponts cytoplasmiques stabilisés à l'issue de cytocinèses incomplètes. J'ai montré que les cellules du cyste mutantes pour AP-1 présentent un phénotype de multinucléation dû au décrochage des ponts cytoplasmiques. Ce phénotype corrèle avec un défaut d'adressage de E-Cadhérine dépendant d'AP-1 à la membrane plasmique entourant ces ponts, via les endosomes de recyclage. E-Cadhérine y est nécessaire pour leur ancrage à la membrane plasmique, un rôle qui avait été jusque-Là masqué par l'expression ectopique compensatoire de N-Cadhérine dans les mutants E-Cadhérine. Ce rôle d'E-Cadhérine passe par l'organisation de protrusions membranaires présentant l'aspect et contenant certains marqueurs protéiques des microvillosités observées au pôle apical des cellules épithéliales. / Eukaryotic cells are compartmentalized in organelles. Lipidic and proteic exchanges between organelles and the plasma membrane are controlled by vesicular trafficking. In polarised cells such as epithelial cells, whose plasma membrane is divided into an apical and a basolateral pole separated by a junctional belt, appropriate targeting of proteins to appropriate poles relies on polarised sorting mechanisms controlling vesicular trafficking. In these cells, the clathrin adaptor complex AP-1 controls basolateral targeting and trafficking of the adhesion molecule E-Cadherin, a transmembrane adherens junctions protein. AP-1 is furthermore necessary for epithelial polarity maintenance in intestinal epithelial cells in the nematode C. elegans and mammals. I studied AP-1 functions in the model organism Drosophila melanogaster. I showed AP-1 also controls E-Cadherin trafficking in Drosophila but is not required for polarity maintenance in follicular cells, an epithelium surrounding the female germline cyst during oogenesis. Experiments in this tissue led me to discover a new E-Cadherin function in the germline cyst. Germline cyst cells are interconnected by cytoplasmic bridges stabilised after incomplete cytokinesis. I showed AP-1 mutant cyst cells were multinucleated due to a detachment of cytoplasmic bridges from the plasma membrane. This phenotype correlated with an E-Cadherin AP-1-Dependent targeting defect from recycling endosomes to the plasma membrane surrounding these bridges. E-Cadherin is necessary for their anchoring to the plasma membrane, a role that was hidden by ectopic compensatory expression of N-Cadherin in E-Cadherin mutants. This new role is mediated by E-Cadherin-Dependent organisation of membrane protrusions similar in aspect with and containing proteins of microvillosities present at the apical pole of epithelial cells.

Le cancer de la vessie est le deuxième cancer urologique après le cancer de la prostate. Le développement de nouveaux agents anticancéreux est nécessaire pour le traitement de cette maladie complexe, car, en dépit d'un large éventail de traitements, aucune augmentation de la survie des patients n'a été observée. - Les effets du GW501516, un agoniste de PPARbeta/delta, n'ont jamais été explorés dans des cellules cancéreuses de la vessie. Nous montrons qu'un traitement par 25 µM de GW501516, pendant 24 h, induit la mort cellulaire par apoptose de cellules dérivées d'un carcinome urothélial invasif mais pas de cellules dérivées d'un cancer urothélial "de bon pronostic". Une stimulation de courte durée par 25 µM de GW501516 induit une augmentation du taux d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui est associée à une phosphorylation de la protéine de survie Akt. L'apoptose induite par le GW501516 est concomitante à une diminution de l'expression d'une molécule d'adhérence, la cadhérine N qui est une protéine transmembranaire impliquée dans la progression tumorale. Pour la première fois dans un modèle de carcinome, nous montrons que la cadhérine N est la cible d'un clivage protéolytique, libérant des fragments solubles qui peuvent être biologiquement actifs. Le GW501516 module ce clivage à des temps qui précèdent la mort cellulaire. En effet, le GW501516 régule l'expression de protéases telles que ADAMIO à l'origine du clivage de la cadhérine N. - Les fragments de la cadhérine N pourraient intervenir dans les processus de survie ou de mort cellulaires. Par conséquent, cette étude novatrice ouvre le débat quant à la portée thérapeutique du GW501516 dans le traitement du cancer. / Bladder cancer is the most common cancer of the genitourinary tract worldwide and accounts for 5% of ail cancer deaths in human. Despite of a wide range of treatments, no substantial improvement in survival of patients with advanced-stage or metastatic disease has been achieved. The development of nove! effective chemotherapeutic agents is required for the treatment ofthis aggressive disease. Anticancer action of GW501516, an agonist of PPARbeta/delta, has never been investigated in bladder tumor cells. Our results indicated that a 24h treatment by 25 µM of GW501516 induced cell death through both extrinsic and intrinsic apoptotic pathways in T24 cells, derived from an undifferentiated high grade carcinoma but not in RT4 cells, derived from a low grade papillary tumor. GW501516 induced also an early up-regulation of ROS production which was associated with an increase ofphosphorylated Akt level, implicated in cell survival. Apoptosis induced by GW501516 is concomitant with a decrease of N-cadherin expression which is a cell adhesion molecule implicated in tumor progression. For the first time in carcinoma mode!, we showed that N-cadherin was cleaved by proteases, leading to the release of soluble fragments which could be biologically active. Our results indicated that GW501516 modulates N-cadherin cleavage before cell death through the regulation of protease expression such as ADAM l O. N-cadherin fragments could be implicated in cell survival or cell death. By inducing apoptosis of urothelial cancer ce lis and by modulating N-cadherin shedding, GW501516 could be a potential efficient chemotherapeutic drug for bladder cancer through endovesical instillations.

L’ensemble des tissus et des organismes vivants sont constitués de cellules dans lesquelles un certain nombre de décisions phénotypiques sont prises : division, différentiation, apoptose ou encore transformation. La biologie cellulaire s’est principalement concentrée sur la compréhension des déterminants moléculaires internes de ces décisions, mais il est important de considérer aussi l’existence de déterminants externes provenant des interactions intercellulaires qui sont essentielles à l’émergence de systèmes multicellulaires coordonnés. La compétition entre les déterminants internes et les déterminants externes est un aspect fondamental de la sociologie des communautés cellulaire menant à de possibles situations hautement individualisées ou, au contraire, à un effet collectif dominant. Ce travail de thèse a eu pour but de mettre en place une méthode permettant de mesurer la contribution relative de ces deux types de déterminants en les mettant en opposition. Pour cela, la stabilité collective d’un épithélium in vitro a été mise à l’épreuve grâce à l’induction hétérogène de la transition épithelio-mesenchymateuse (EMT) par le biais de la photoactivation du facteur de transcription Snail1. Les résultats principaux montrent que la réponse transcriptionelle de cellules induites à l’EMT dépend de la présence, ou non, de cellules avoisinantes non-induites. De la même manière, les cellules non-induites répondent de façon transcriptionelle à la présence de cellules induites. Ces effets de control mutuels introduisent la notion que la géométrie de la distribution d’une cause moléculaire donnée peut influencer la conséquence de cette même cause. Notre travail ouvre de nouvelle possibilités pour l’étude de la sociologie de communautés cellulaires hétérogènes, et une meilleure compréhension de phénomènes importants tel la suppression phénotypique ou encore les premiers instants de la carcinogenèse. / Tissues and organisms are built from cells in which important phenotype decisions are made: division, differentiation, apoptosis, and transformation. Cell biology has strongly focused on deciphering the internal molecular determinants of these decisions, but external information originating from intercellular interactions are key elements to coordinate multicellular physiology. The extent to which internal determinants dominate over external determinants or vice versa, is an essential feature of the sociology of cell communities, with possibly strong individualistic situations, or dominant collective effect. The present work was designed to set-up a method for assessing the relative contribution of internal vs. external determinant, by opposing these two classes of inputs. This is achieved by challenging the collective stability of an in vitro epithelium using the heterogeneous induction of the epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) via the photoactivation of Snail1. The key results show that the transcriptional response of EMT-induced cells depends on the presence of non-induced cells in the culture. Conversely non-induced cells respond to the presence of induced cells. These mutual control effects lead to the notion that the geometry underlying the distribution of a given molecular cause strongly influences its consequence. Our work opens new perspectives for studying the sociology of heterogeneous cell communities, and better understand important phenomena such as phenotype suppression and or the onset of carcinogenesis.

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Les causes des Maladies Inflammatoire Chroniques Intestinales (MICI) restent mal comprises et il n’existe aucun traitement curatif. L’une des complications possibles des MICI est l’augmentation du risque de cancer colorectal (CCR). La cadhérine atypique MUCDHL pourrait être impliquée dans les MICI. Nous avons étudié le rôle de MUCDHL dans la pathogénie des MICI, ainsi que les mécanismes moléculaires qui restaurent son expression. Nous avons montré que l’expression de MUCDHL est diminuée dans la muqueuse intestinale inflammatoire. De plus, les 5-aminosalicylés, utilisés pour traiter les MICI et prévenir le CCR associé, augmentent son expression en stimulant celle de PPAR-γ et de CDX2 ou en inhibant celle de la β-caténine. Chez les souris Mucdhl -/-, l’absence de MUCDHL accélère et amplifie l’inflammation colique induite par le Dextran Sulfate de Sodium et retarde la réparation muqueuse. Nos données montrent l’implication de MUCDHL dans la physiopathologie des MICI et suggèrent qu’il pourrait constituer une cible thérapeutique d’intérêt. / The pathogenesis of Inflammatory Bowel Diseases (IBD) remains poorly understood and there is currently no curative treatment. In addition, patients with colonic IBD are at increased risk of colorectal cancer (CRC). The atypical cadherin MUCDHL could be involved in IBD. We studied the role of MUCDHL in the pathogenesis of IBD, as well as the molecular mechanisms that restore its expression. We have shown that MUCDHL expression is decreased in the inflammatory intestinal mucosa. In addition, 5-aminosalicylates, used to treat IBD and prevent associated CRC, increase its expression by stimulating PPAR-γ and CDX2 or by inhibiting β-catenin. In Mucdhl -/- mice, the absence of MUCDHL accelerates and amplifies colonic inflammation induced by Dextran Sodium Sulfate and delays mucosal repair. Our data show MUCDHL's involvement in the pathophysiology of IBD and suggest that it could be a therapeutic target of interest.

Les épines dendritiques sont de petites protrusions post-synaptiques présentant des changements morphologiques corrélés avec la plasticité synaptique. Elles ont pour origine les filopodes dendritiques qui s’élargissent lors du contact avec l’axone. Ces changements morphologiques impliquent une grande variété de molécules dont des protéines associées à l’actine et des protéines d’adhésion. Cependant, comment ces différentes protéines sont coordonnées dans le temps et l’espace est encore largement méconnu. De plus, les techniques de microscopie conventionnelle ne permettent pas d’étudier l’organisation et la dynamique de ces protéines dans les épines dont la taille est proche de la limite de resolution. L’objectif de ma thèse a donc été d’explorer le rôle des protéines associées à l’actine ainsi que celui des protéines d’adhésion N-cadhérines dans l’organisation et la dynamique du cytosquelette d’actine des épines dendritiques. Dans une première étude, nous avons suivi la motilité des filopodes et épines dendritiques de neurones en visualisant l’actine-GFP. Nous avons couplé cette approche avec : 1) une technique de piégeage optique de microsphères recouvertes de N-cadhérines ou des substrats micro-imprimés également recouverts de N-cadhérines afin de contrôler temporellement et spatialement les adhésions cadhérine-cadhérine, 2) la stimulation pharmacologique de la myosine II afin d’induire la contraction F-actine/myosine et 3) l’expression de mutants de N-cadhérine non adhésifs. Nous avons ainsi démontré que la stabilisation des filopodes en épines était dépendante de l’engagement d’un embrayage moléculaire entre les adhésions trans-synaptiques N-cadhérine et le flux rétrograde d’actine généré par les myosines II. Dans une deuxième étude, nous avons utilisé la microscopie super-résolutive (PALM et dSTORM) et le suivi de protéines individuelles (sptPALM) pour étudier l’organisation et la dynamique à l’échelle nanométrique des protéines à l’origine des réseaux d’actine branchés dans les épines. Ainsi, nous avons caractérisé la localisation et la dynamique de l’actine, du complexe Arp2/3, du complexe WAVE, d’IRSp53, de VASP et de Rac-1. Nous avons montré que, contrairement aux structures motiles classiques comme lamellipode, le réseau d’actine branché dans les épines n’ést pas formé aux extrémités protrusives puis incorporé dans un flux rétrograde d’actine. Ce réseau est initié à la PSD puis croît vers l’extérieur afin de générer les protrusions membranaires responsablent des changements morphologiques de l’épine. Nos résultats montrent également qu’un contrôle strict de l’activité de Rac-1 est nécessaire au maintien de la morphologie des épines dendritiques et de l’architecture du réseau d’actine branché. L’ensemble de mon travail souligne l’importance du rôle de l’organisation à l’échelle nanométrique du réseau d’actine branché et des adhésions N-cadhérine dans la dynamique et la formation des épines dendritiques. Ces résultats pourraient avoir un rôle important dans la compréhension des changements morphologiques lors de la plasticité synaptique. / Dendritic spines are tiny post-synaptic protrusions exhibiting changes in morphology correlated with synaptic plasticity. They originate from motile dendritic filopodia, which enlarge after contacting axons. These morphological changes involve a wide number of molecular actors, including actin-binding proteins, and adhesion molecules. However, how these various molecular components are coordinated temporally and spatially to tune changes in spine shape remains unclear. Furthermore, conventional photonic microscopy techniques could not achieved the spatial resolution required to study the dynamic nanoscale organization of these proteins within the micron size dendritic spines. The objective of my Ph.D. was to unravel how actin-binding proteins and N-cadherin adhesion regulate the organization and dynamics of F-actin network in dendritic spines. In a first study, we measured the motility of dendritic filopodia and spines by time lapse imaging of actin-GFP in primary hippocampal neurons. We combined those measurements with: 1) manipulation of N-cadherin coated beads with optical tweezers, or micropatterns to control the timing and location of nascent N-cadherin adhesions, 2) pharmacological stimulation of myosin II to trigger contraction of the F-actin/myosin network and 3) expression of non-adhesive N-cadherin mutants to compete for the interaction between N-cadherin adhesion and F-actin. Using these different approaches we demonstrated that the stabilization of dendritic filopodia into mature spines was dependent on the engagement of a molecular clutch between trans-synaptic N-cadherin adhesions and the myosin driven F-actin flow. In a second study, we used super resolution microscopy (PALM and dSTORM) and single protein tracking (sptPALM) to study the dynamic nanoscale organizations of branched actin networks within dendritic spines. Using these technics, we characterized within dendritic spines, the localization and dynamics of actin, Arp2/3 complex, WAVE complex, IRSp53, VASP and Rac-1. We established that, opposite to classical motile structures such as the lamellipodium, branched F-actin networks in dendritic spines are not formed at the tip of membrane protrusions and incorporated in a retrograde flow. On the contrary, they are growing outwards from the PSD generating membrane protrusions responsible for spine motility. We also show that a thigh control of Rac1 activity is required to maintain dendritic spine morphology and branched actin network organization. Altogether, these studies point out the role of the nanoscale functional organization of F-actin networks and its linkage to adhesion proteins in the regulation of dendritic spine formation and dynamics. These findings may have important implications in the understanding of spine morphology changes driven by synaptic activity.