Plasma membrane transport proteins play a crucial role in all cells by conferring to the cell surface a selective permeability to a wide range of ions and small molecules. The activity of these transporters is often regulated by controlling their amount at the plasma membrane, via intracellular trafficking. The recent boom in the numbers of crystallized transporters shows that many of them that belong to different functional families with little sequence similarity adopt the same structural fold implying a conserved transport mechanism. These proteins belong to the APC (Amino acid-Polyamine-organoCation) superfamily and their fold is typified by the bacterial leucine transporter LeuT. This LeuT fold is characterized by inverted structural repeats of 5 transmembrane domains that harbor the central substrate-binding site and a pseudo-symmetry axis parallel to the membrane. The yeast Saccharomyces cerevisiae possesses about 16 amino acid permeases (yAAPs) that belong to the APC superfamily and that display various substrate specificity ranges and affinities. Topological, mutational analysis and in silico data indicate that yAAPS adopt the LeuT fold.<p><p>In this work we combined computational modeling and yeast genetics to study substrate binding by yAAPs and the endocytosis of these transporters in response to substrate transport. In the first part of this work, we analyzed the selective recognition of arginine by the yeast specific arginine permease, Can1. We constructed three-dimensional models of Can1 using as a template the recently resolved structure of AdiC, the bacterial arginine:agmatine antiporter, which is also a member of the APC superfamily. By comparison of the binding pockets of Can1 and Lyp1, the yeast specific lysine permease, we identified key residues that are involved in the recognition of the main and side chains of arginine. We first showed that the network of interactions of arginine in Can1 is similar to that of AdiC, and that the selective recognition of arginine is mediated by two residues: Asn 176 and Thr 456. Substituting these residues by their corresponding residues in Lyp1 converted Can1 into a specific lysine permease. In the second part of this work, we studied the regulation of two permeases, Can1 and the yeast general amino acid permease, Gap1. In the presence of their substrates, Gap1 and Can1 undergo ubiquitin-dependent endocytosis and targeting to the vacuolar lumen for degradation. We showed that this downregulation is not due to intracellular accumulation of the transported amino acids but to transport catalysis itself. By permease structural modeling, mutagenesis, and kinetic parameter analysis, we showed that Gap1 and Can1 need to switch to an intermediary conformational state and persist a minimal time in this state after binding the substrate to trigger their endocytosis. This down-regulation depends on the Rsp5 ubiquitin ligase and involves the recruitment of arrestin-like adaptors, resulting in the ubiquitylation and endocytosis of the permease.<p><p>Our work shows the importance of the structural analysis of yAAPs to get further insight into the different aspects of their function and regulation. We validate the use of a bacterial APC transporter, AdiC, to construct three-dimensional models of yAAPs that can be used to guide experimental analyses and to provide a molecular framework for data interpretation. Our results contribute to a better understating of the recognition mode of amino acids by their permeases, and the regulation of this transport in response to substrate binding. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

SH2-containing inositol polyphosphate 5-phosphatases, SHIP2, has been established as a regulator of the insulin cascade, of cell adhesion and spreading, actin structures, remodelling and cytoskeletal organization. However, the molecular mechanisms underlying these processes still needed additional investigations. Among different regulatory mechanisms, protein-protein interaction play an essential role. To better understand the molecular mechanism of SHIP2 in signalling pathway as well as to reveal novel roles of SHIP2, a two-hybrid was performed to search for SHIP2 protein interactors. JNK-interacting protein 1 (JIP1) and intersectin 1 (ITSN1) were two of the newly identified protein partners of SHIP2. In this thesis, we characterized the associations of SHIP2 with JIP1 and ITSN1 in different aspects as identifying the interacting domain involved, biochemical function regulations and cellular biological roles.<p><p>The JIP scaffold family of proteins associate with MAPK, MAPKK and MAPKKK creating functional signaling modules to control the specificity of signal transduction. JIP1 is characterized as a scaffold protein assembling JNK, MAPK kinase 7 (MKK7), mixed lineage kinase (MLK), dual leucine zipper-bearing kinase (DLK). It thus enhances the selectivity and effectiveness of kinase activation during JNK signaling. In this thesis, the SHIP2-JIP1 interaction has been confirmed both in overexpression system in COS-7 and CHO-IR cells, and in native cells of COS-7. Both the proline-rich (PR) domain (residues 359-487) and PTB domain of JIP1 participated in this interaction. Overexpression of SHIP2 in COS-7 cells up-regulated JIP1-mediated JNK activation and the tyrosine phosphorylations of both JIP1 and MLK3. These effects were independent of SHIP2 catalytic activity. By the use of kinase inhibitors, we showed that Abl and Src family tyrosine kinases might be implicated in the regulation of JIP1 tyrosine phosphorylation. The residue Y270 of JIP1, a potential target of Abl tyrosine kinase, was shown to be involved in SHIP2-increased JIP1 tyrosine phosphorylation. In an in vitro assay, JIP1 negatively regulated the catalytic activity of SHIP2. In addition, upon the stimulation of okadaic acid, the overexpression of SHIP2 caused less viability of COS-7 cells. These data provide a new molecular link between SHIP2 and JIP1-mediated JNK pathway, and may help explain the biochemical mechanisms of SHIP2 in cellular apoptosis, as well as in insulin pathway.<p> <p>Another protein partner, ITSN1, is a multi-domain protein which plays a role in endocytosis, MAPK signalling and actin cytoskeleton. The interaction between SHIP2 and ITSN1 was confirmed in overexpression systems in COS-7 cells, as well as at the physiological concentration with the endogenously expressed proteins in C2C12 and COS-7 cells. EGF stimulation did not modulate the association of SHIP2 and ITSN1. ITSN1-SH3D, A, C and E domains interacted with the C-terminal part of SHIP2 with the binding affinity as SH3D>SH3A>SH3C>SH3E. Upon the stimulation of EGF, the expression of SHIP2 may recruit ITSN1 short form (ITSN1-S) to cell membrane. The ITSN-mediated ERK1/2 and JNK activations in response to EGF were not modulated when SHIP2 or catalytic mutant of SHIP2 or TSHIP2 was overexpressed. The link between SHIP2 and ITSN may provide one of the molecular mechanisms used by SHIP2 to participate in receptor endocytosis regulation.<p><p>In conclusion, our data of the associations of SHIP2 with JIP1 and ITSN1 provide evidence for potential novel biochemical mechanisms of SHIP2 to be implicated in JNK pathway as well as EGF receptor endocytosis. JIP1 and ITSN1, which are both implicated in the JNK pathway, may also have a link through the common protein partner SHIP2, giving rise to potential interesting study goal. <p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le placenta assure les échanges materno-fœtaux et possède une fonction endocrine autonome. Les hormones placentaire lactogène (hPL) et chorionique gonadotrope (hCG) sont synthétisées par le syncytiotrophoblaste. A ce jour, les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion de ces deux hormones ne sont pas connus. In vitro, l’influx d’ions Ca2+ entraîne une augmentation immédiate et soutenue de la libération d’hPL et d’hCG à partir d’explants de placentas à terme. En outre, l’élévation de la concentration extracellulaire en albumine, principale protéine maternelle circulante en contact direct avec le trophoblaste, stimule de manière immédiate et transitoire la libération d’hPL et d’hCG.<p><p>L’objectif de nos travaux a été de vérifier la spécificité de l’activité sécrétagogue de l’albumine au niveau du placenta, de caractériser les messagers cellulaires potentiellement impliqués dans la libération d’hPL et d’hCG, et de définir l’interaction entre l’albumine et le trophoblaste, en utilisant des explants provenant de placentas humains à terme.<p> <p>Nos travaux démontrent que la riposte sécrétoire à l’albumine (5%, m/v) est largement mimée par d’autres agents colloïdaux (dextran et polygéline). Cette stimulation colloïdale de la libération d’hPL et d’hCG impliquerait une mobilisation de Ca2+ à partir de réserves intracellulaires. L’intervention de 3 messagers cellulaires a été envisagée: les IPs/DAG, l’AMPc, et le GMPc. Le fluorure de sodium, la forskoline, ou le nitroprussiate sodique, activateurs connus de la production respective des IPs, de l’AMPc, et du GMPc, augmentent de manière significative les taux placentaires de chacun de ces messagers, sans toutefois affecter la libération d’hPL ou d’hCG. De plus, l’élévation de la concentration extracellulaire en albumine (5%, m/v) ne modifie pas les taux des IPs, de l’AMPc et du GMPc dans les explants placentaires, tandis qu’elle stimule la sécrétion hormonale. Ces systèmes de signalisation, bien que fonctionnels au niveau du trophoblaste, ne joueraient donc pas un rôle majeur dans la régulation de la libération d’hPL et d’hCG. <p><p>Nos résultats mettent en évidence une internalisation rapide d’albumine marquée, avec de l’125I ou de la fluorescéïne, dans le syncytiotrophoblaste. Une large fraction de cette albumine est recyclée, intacte, vers la circulation maternelle selon un processus sensible à l’abaissement de la température et indépendant du cytosquelette. L’albumine marquée restant dans les explants placentaires est partiellement dégradée. Trois mécanismes ont été envisagés pour expliquer ces mouvements d’entrée et de sortie de l’albumine au sein du placenta humain: l’endocytose médiée par l’albondine via les caveolae, le système des coated pits clathrine-dépendant, et l’endocytose médiée par la mégaline. Par immunohistochimie, nous avons montré que, dans le tissu placentaire, la caveoline-1, protéine caractéristique des caveolae, est localisée uniquement dans l’endothelium des capillaires fœtaux. La clathrine, au niveau des coated pits, et la mégaline se trouvent au contraire dans le syncytiotrophoblaste. La méthyl-b-cyclodextrine et l’hydrochlorure de chlorpromazine, inhibiteurs d’une endocytose dépendant de la clathrine, réduisent significativement l’internalisation placentaire de l’albumine marquée. Par contre, le DIDS ou le NPPB, susceptibles de perturber l’endocytose médiée par la mégaline, n’affectent pas la captation d’albumine marquée par les explants placentaires. L’albumine pénétrerait donc dans le syncytiotrophoblaste principalement par un processus clathrine-dépendant. La mégaline ne jouerait ici qu’un rôle mineur dans l’entrée de la protéine. Un tel processus de recyclage de l’albumine pourrait être similaire à celui décrit pour les immunoglobulines G au niveau du syncytiotrophoblaste.<p><p>Ces mouvement d’entrée et de sortie de l’albumine ne semblent pas associés à la stimulation de la libération d’hPL et d’hCG par l’albumine. Ils pourraient par contre participer significativement, étant donné leur ampleur, à la nutrition fœtale. L’albumine est en effet un transporteur notoire d’ions et d’acides gras, molécules qui pourraient être acheminées au fœtus via le phénomène de recyclage placentaire de l’albumine mis en évidence par ce travail. /<p><p>The human placenta is the site of all maternal-fetal exchanges, and is also an active endocrine organ. Placental lactogen (hPL) and chorionic gonadotrophin (hCG) hormones are synthesized by the syncytiotrophoblast. So far, the mechanisms involved in the regulation of both hormones secretion remain elusive. In vitro, calcium inflow causes an immediate and sustained rise in the hPL and hCG releases from human term placenta explants. Moreover, increasing the extracellular concentration of albumin, the major maternal plasma protein in direct contact with the human trophoblast, stimulates the hPL and hCG releases in an immediate and transient way.<p><p>Our study have aimed to check the specificity of this secretory effect of albumin, to investigate the potential cellular messengers involved in the hPL and hCG releases, and to define the interaction between albumin and the throphoblast layer, using human term placenta explants.<p><p>Our results indicate that the triggering effect of albumin (5%, w/v) is largely mimicked by two other colloidal agents (dextran and polygelin). This “colloidal” stimulation of the hPL and hCG releases would involve the mobilization of calcium from intracellular pools. Three cellular messengers have been considered to mediate this process: the IPs/DAG, the cAMP, and the cGMP. Sodium fluoride, forskolin, or sodium nitroprusside, known activators of respectively the IPs, cAMP, and cGMP production, significantly increase the placental content of each of those messengers, without modifying the hPL and hCG releases. In addition, raising the extracellular concentration of albumin does not cause any change in the placental level of IPs, cAMP, and cGMP, while stimulating the hormonal release. These three signaling pathways are thus functional in human term trophoblast but do not appear to significantly modulate the hPL and hCG secretions. <p><p>Our findings show that albumin, labeled with 125I or with fluorescein, is rapidly internalized into the syncytiotrophoblast. Thereafter, the intact protein is largely recycled to the maternal circulation, through a temperature-sensitive and cytoskeleton-independent process. The labeled albumin remaining in placental explants is partially degraded. Three different mechanisms could participate to the albumin entry into the human placenta: the albondin-mediated endocytosis via the caveolae, the clathrin-dependent coated pits system, and the megalin-mediated endocytosis. Using immunohistochemistry, caveolin-1, marker of the caveolae, is localized in the endothelium of the fetal capillaries and not in the syncytiotrophoblast. By contrast, clathrin and megalin are observed only in the syncytiotrophoblast. Methyl-b-cyclodextrin, and chlorpromazine hydrochloride, known inhibitors of the clathrin-dependent endocytotic process, significantly reduce the placental uptake of labeled albumin. On the other hand, DIDS or NPPB, able to perturb the megalin-mediated endocytosis, do not affect the labeled albumin uptake. Thus, albumin seems to be internalized into the syncytiotrophoblast mainly through a clathrin-dependent mechanism. Megalin would only play a minor role in this process. Such movements of albumin in the human placenta may be similar to the recycling process reported for IgG at that site.<p><p>The placental apical recycling of albumin is not associated to the albumin triggering effect on the hPL and hCG releases. This quantitatively significant internalization process may participate to the fetus’ nutrition. Indeed, Albumin carries ions and fatty acid, which could be brought to the fetus via the protein recycling evidenced by our study.<p><p><p> <p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Degradation of membrane proteins in the vacuole/lysosome is dependent on their prior sorting into the multivesicular body (MVB) pathway. This sorting process involves incorporation of proteins into vesicles that are formed by budding of the limiting membrane of the endosome into the lumen of the organelle. The MVB sorting process on the whole is highly conserved from yeast to human, and depends on the Vps27/Hrs, ESCRT-I, -II, and -III protein complexes functioning sequentially on the endosomal membrane, as well as on additional factors, such as the ubiquitinating enzyme Rsp5/Nedd4. It has now been established that ubiquitin serves as a sorting signal for many cargoes into the MVB pathway. <p>In this thesis work, we provide evidence that Bro1 is not required for protein ubiquitination or early steps of endocytosis, but functions at the late endosome level as an integral component of the MVB pathway. Similarly to its human homologue Alix, Bro1 interacts with components of the ESCRT-I and ESCRT-III complexes. The putative role of Bro1/Alix in bridging an interaction between ESCRT-I and –III might be important to strengthen an association of these protein complexes to allow efficient sorting of cargo proteins. Deficiency in Bro1 results in recycling of the endocytosed Gap1 permease back to the plasma membrane, a process coupled to deubiquitination of the permease. This recycling is a non-classical phenotype for cells impaired in MVB pathway thus suggesting Bro1 to have a particular role in this sorting process. Furthermore, the conserved C-terminal proline-rich domain (PRD) of Bro1 is specifically important for MVB sorting of cargo proteins that are subject to ubiquitination. We show Bro1 (via its PRD) to play a highly important role in recruitment of the deubiquitinating enzyme Doa4 to the endosome. Consistent with this, Bro1 is required for deubiquitination of cargo proteins, a step occurring just before cargo incorporation into the endosomal vesicles, and similarly to Doa4, for ubiquitin recycling. In contrast to previous interpretations, we show that Doa4 has a direct role in sorting of ubiquitinated cargo proteins into the MVB pathway. We propose that Doa4 – via its association to Bro1 - achieves this role by catalyzing deubiquitination of cargo proteins and/or some components of the MVB sorting machinery. We further show Bro1 to interact with the ubiquitin ligase Rsp5, which, in addition to being required for cargo protein ubiquitination at the plasma membrane, apparently contributes to multiple steps of endocytosis and MVB sorting. Also the Bro1-Rsp5 interaction is dependent on the C-terminal PRD region of Bro1. We propose that this interaction is conserved. <p>A role for ubiquitin in regulation of the MVB sorting machinery is emerging: the function of factors recognizing and sorting ubiquitinated cargo proteins in the MVB pathway is suggested to be coupled to their cycling between ubiquitinated and deubiquitinated stages. A growing body of evidence indicates that ubiquitin ligases of the Rsp5/Nedd4 family play a central role in this regulation. We speculate the Bro1/Alix protein, through its ability to simultaneously interact with factors of the MVB sorting machinery and with ubiquitinating and deubiquitinating enzymes to play a central role in the successive rounds of ubiquitination and deubiquitination of specific factors along the MVB pathway. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les cellules neuroendocrines sécrètent hormones et neuropeptides dans la circulation sanguine par un processus d’exocytose régulée par le calcium. Engendrant un apport de membrane important à la surface cellulaire, l'exocytose doit être suivie par un processus d’endocytose compensatrice afin de maintenir l’homéostasie cellulaire et assurer le recyclage des composés vésiculaires. La connaissance précise des mécanismes moléculaires qui régulent la sécrétion neuroendocrine est primordiale. En effet, de nombreux cancers neuroendocrines sont associés à un dysfonctionnement de la sécrétion hormonale. Bien que connus des cliniciens, les mécanismes cellulaires et moléculaires qui induisent de telles perturbations de sécrétion restent à ce jour inexplorés. Les travaux réalisés au laboratoire démontrent que la sécrétion hormonale dans les cellules neuroendocrines est contrôlée par RhoA, Rac1 et Cdc42, trois GTPases de la famille Rho. Néanmoins, les voies moléculaires contrôlant le cycle d’activation-inactivation de ces GTPases Rho lors de l’exocytose sont peu connues. Mon projet de thèse s’est articulé autour de deux axes principaux. Un premier objectif fut d’étudier, au cours de la sécrétion neuroendocrine, l’implication potentielle de l’oligophrénine-1, une protéine GAP capable d'inactiver certaines GTPases Rho. En utilisant les cellules chromaffines de la glande surrénale comme modèle cellulaire, j'ai découvert un double rôle de la protéine oligophrénine-1. En effet, en inactivant RhoA, l’oligophrénine-1 permettrait la mise en place du pore de fusion nécessaire à l'exocytose tandis que par le biais de son domaine BAR, elle contrôle l'endocytose compensatrice. Mon second objectif fut d’appréhender les bases cellulaires et moléculaires à l’origine du dysfonctionnement de la sécrétion dans les cancers neuroendocrines en utilisant les phéochromocytomes humains comme modèle expérimental. En combinant des analyses ampérométriques et protéomiques sur des tumeurs humaines, j'ai pu montrer que l'hypersécrétion catécholaminergique des phéochromocytomes est bien la conséquence d’une augmentation de l’activité sécrétrice. J'ai également pu identifier des acteurs protéiques, dont plusieurs modulateurs des GTPases de type Rho, qui pourraient être impliqués dans ces défauts de sécrétion. L’ensemble de mon projet de thèse m’a permis de mieux comprendre les mécanismes de régulation des GTPases Rho au cours de la sécrétion mais également de proposer les premières bases moléculaires et cellulaires abordant les perturbations de la sécrétion dans les tumeurs neuroendocrines. / Neuroendocrine cells release hormones and neuropeptides in the bloodstream through a calcium regulated exocytosis process. This process leads to an important increase of membrane at the cell surface which needs to be compensated through endocytosis in order to maintain cell homeostasis as well as the recycling of vesicular compounds. Many neuroendocrine cancers have been associated with a dysfunction in hormone secretion, urging toward a need to understand the molecular mechanisms which regulate neuroendocrine secretion. Even though these perturbations are known at a clinical level, the underlying cellular and molecular mechanism remains to be unraveled. Previous works in the team demonstrate that hormone secretion is regulated by RhoA, Rac1 and Cdc42, which are all GTPases of the Rho family. Nevertheless the molecular pathways which control the activation and inactivation cycle of these RhoGTPases during exocytosis remain unknown. My PhD project covered essentially two aspects. My first goal was to characterize the potential role of oligophrenin-1, a GAP protein which can inactivate Rho-GTPases, in neuroendocrine secretion. By using adrenal gland chromaffin cells as a cellular model, I have discovered a dual role for oligophrenin-1. Indeed, through RhoA inactivation, oligophrenin-1 allows the set up of a fusion pore, which is necessary for exocytosis, while controlling through the BAR domain the compensatory endocytosis. My second goal was to characterize the molecular and cellular basis which leads to a secretion dysfunction in neuroendocrine cancers by using human pheochromocytomas as an experimental model. By combining amperometric and proteomic analyses on human tumors, I was able to demonstrate that pheochromocytoma catecholaminergic secretion was indeed due to an increase in secretion activity. I could also identify major actors, including several Rho GTPase modulators, which could be implied in these secretion defects. All together, these approaches gave me a better understanding of RhoGTPase regulation during secretion but also an insight into the molecular and cellular basis of impaired secretion in neuroendocrine tumors.

L’endocytose dépendante de la clathrine (EDC) est un processus fondamental des cellules eucaryotes. Elle se caractérise par la formation d’invaginations à la membrane plasmique aboutissant à la création de petites vésicules par l’action de la dynamine. Dans le cerveau, elle est impliquée dans la dépression synaptique à long terme, un corrélat cellulaire de la mémoire. La morphologie complexe des neurones et le contrôle précis du code neuronal suggèrent qu’elle puisse être régulée spatialement et temporellement dans ces cellules. Le but de mon travail a été de développer de nouveaux outils pour visualiser et perturber l’EDC afin d’étudier ce type de régulation. Le premier de ces outils est pHuji, un senseur de pH rouge génétiquement encodable. Je l’ai utilisé avec un senseur de pH vert existant pour montrer que dans les cellules NIH- 3T3, le récepteur β2-adrénergique est internalisé dans une sous-population de vésicules contenant le récepteur à la transferrine constitutivement endocyté. Le deuxième est une nouvelle méthode d’imagerie permettant de visualiser l’activité d’endocytose de structures recouvertes de clathrine optiquement stables dans des neurones d’hippocampe. J’ai ainsi pu suivre pour la première fois la cinétique d’internalisation de récepteurs au glutamate de type AMPA dans des conditions de plasticité. Enfin, j'ai élaboré un test combinant imagerie et patch-clamp afin de développer un bloqueur peptidique spécifique de l'EDC. En utilisant des peptides dimériques, j’ai montré que la dynamine se lie à ses partenaires via des interactions multimériques. En conclusion, ce travail propose une boite à outils permettant d’élucider les mécanismes de l’EDC avec une grande résolution spatiale et temporelle. / Clathrin mediated endocytosis (CME) is a fundamental process of all eukaryotic cells. At the level of the plasma membrane, it is characterized by the formation of deep invaginations resulting in the creation of small vesicles after membrane scission by dynamin. In the central nervous system, it is involved in the expression of synaptic long term depression, a proposed cellular correlate of learning and memory. The complex morphology of neurons and the precise timing of neuronal firing suggest that endocytosis may be spatially and temporally regulated in those cells. The aim of the work presented here was to develop new tools to visualize and perturb CME in order to study such regulation. The first tool to be characterized was pHuji, a genetically encoded red pH-sensor. I used it in combination with an existing green pHsensor to demonstrate that in NIH-3T3 cells, the β2-adrenergic receptor was internalized in a subset of vesicles containing the constitutively endocytosed transferrin receptor. The second tool is a new imaging method that allowed me to monitor the endocytic activity of optically stable clathrin coated structures in hippocampal neurons. I was thus able to visualize for the first time the kinetics of internalization of AMPA-type glutamate receptors under plasticity inducing conditions. Finally, I set up an assay combining imaging and cell dialysis in order to develop a specific peptide-based inhibitor of CME. Using dimeric peptides, I found that the interplay between dynamin and its binding partners relies on multimeric interactions. Altogether, this work provides a toolbox to decipher the mechanisms of vesicle formation with high spatial and temporal resolution.

Les dystrophies musculaires des ceintures (LGMD) sont un groupe hétérogène de dystrophies musculaires à progression lente. Des mutations du gène de la dysferline causent la LGMD de type 2B, mutations dans le gène de la cavéoline-3 (cav-3) causent LGMD de type 1C et des mutations dans le gène anoctamine-5 (ano-5) sont liées aux LGMD. Dans le but d'analyser les mécanismes moléculaires des LGMD et d'étudier les potentielles interactions de la dysferline, de la cav-3 et de l'ano5, des expériences sur des cellules musculaires primaires portant des mutations associées aux gènes DYSF, CAV3 et ANO5 ont été analysées. Les études d'immunomarquage ont montré que la protéine dysferline et la cav-3 sont partiellement colocalisées dans des structures vésiculaires de la membrane plasmique des myotubes primaires humains. La purification biochimique des "detergent-resistant membranes" issus des myotubes différenciés a montré que la dysferline est associée aux " lipid raft " liées aux cytosquelettes d'actine. L'analyse de la microscopie électronique sur les myotubes issus des muscles des patients atteints de LGMD a montré des altérations dans l'abondance des cavéoles à la membrane plasmique qui est en corrélation avec les mutations causant la maladie. L'analyse de l'ultrastructure cellulaire a montré que la dysferline est localisée à la membrane plasmique mais également dans des vésicules cytosoliques. L'immunopurification de ces vésicules contenant de la dysferline a révélé la présence d'environ 500 protéines détectées par LC-MS, ce qui pourrait représenter des protéines structurales vésiculaires, ainsi que des nouveaux partenaires potentiels d'interaction de la dysferline. / Limb-girdle muscular dystrophies (LGMD) are a heterogeneous group of slowly progressive muscular dystrophies with common features such as hyperCKemia and skeletal muscle weakness. Mutations in the dysferlin gene cause LGMD 2B, in the caveolin-3 (cav-3) gene LGMD 1C and in the anoctamin-5 (ano-5) gene LGMD 2L, respectively. In order to reveal the molecular mechanisms underlying LGMD and to investigate the putative interactions of dysferlin, cav-3, and ano5, primary skeletal muscle cell lines with disease-related mutations in DYSF, CAV3, and ANO5 have been analyzed. Immunolabeling studies revealed that dysferlin and cav-3 are partially colocalized in vesicular structures at the plasma membrane. Biochemical purification of detergent-resistant membranes from differentiated myotubes showed that dysferlin is associated with lipid rafts linked to the actin-cytoskeleton. Transmission electron microscopy analysis of myotubes revealed alterations of caveolae abundance at the plasma membrane correlating with disease-causing mutations. Ultrastructural studies revealed localization of dysferlin at the plasma membrane, but also in cytosolic vesicles. These vesicles contained a subset of approximately 500 proteins detected by LC-MS, which might represent vesicular structural proteins, vesicle cargo, and putative new dysferlin interaction partners. Results from this study lead to the conclusion that caveolae play a crucial role in the context of LGMD. Dysferlin and cav-3 seem to be closely linked on structural as well as on functional level. Our results confirm that dysferlin is localized in cytosolic vesicles, which are involved in multiple cellular processes.

Les aptamères peptidiques sont des protéines combinatoires capables de moduler spécifiquement une fonction de leur cible. Une sélection fonctionelle d’aptamères peptidiques capables d’inhiber la mort cellulaire Bax-dependante chez la levure et en cellules mammaifères a été effectuée. Deux aptamères peptidiques ont été sélectionnés (Apta-32 et Apta-34). L’objectif de ce travail de thèse a été de caractériser ces deux aptamères peptidiques et leur(s) cible(s) dans le contexte de la mort cellulaire Bax-dependante. La première partie est l’étude de l’Apta-34 qui cible une protéine (C34) contenant un domaine de mort et ayant des fonctions pro-apoptotiques. Nous avons montré que lors de l’induction de l’apoptose, C34 est transloquée du noyau (sa localisation principale) au cytoplasme. Dans les mêmes conditions, Apta-34 co-localise avec C34 dans le noyau, empêchant, ou du moins retardant, sa sortie du noyau. De plus nous avons identifié le site de liaison d’Apta-34 sur C34, qui est localisé dans les 215 amino acides en N-terminale de la protéine, une région qui contient un site prédictif d’export nucléaire. Finalement, nous avons montré que la délétion de l’homologue de C34 protège contre la mort induite par hBax en levure. La seconde partie est l’étude d’Apta-32 qui cible deux paralogues (C32a et b) d’une famille de protéine impliquée dans le traffic membranaire dans les voies de l’endocytose. Nous avons montré qu’Apta-32 se lie à un domaine fonctionnel de C32. Des études in silico de docking ont permis d’identifier trois sites distincts de liaison d’Apta-32 sur ce domaine. Le site dominant est composé d’acides aminés qui partagent des propriétés physico-chimiques communes entre les différents interacteurs d’Apta-32 (C32a, C32b et l’homologue levure) mais pas avec des homologues qui ne lient pas Apta-32. De plus un screening double hybride d’une banque de cDNA levure a permis d’identifier des cibles mevure d’Apta-32. Finalement, des études préliminaires chez l’embryons de drosophile, permettent de suggérer que l’expression d’Apta-32 peut entraîner un défaut de la phagocytose. Cette étude a permis d’identifier des régulateurs de la mort cellulaires impliqués dans deux processus cellulaires distincts. / Peptide aptamers are small combinatorial proteins able to specifically modulate a function of their target. A functional selection of peptide aptamers able to inhibit Bax-dependent cell death in yeast and mammalian systems has been performed. Two peptide aptamers have been selected (Apta-32 and Apta-34). The aim of this thesis project was to characterize those two inhibitory peptide aptamers and their targets in order to understand their function in the Bax-dependent cell death. The first part focuses on Apta-34 that targets a Death Domain-containing protein (T34) that has pro-apoptotic functions. We showed that during the induction of apoptosis T34 translocates from nucleus (its major localization site) to the cytoplasm. In the same conditions, Apta-34 co-localizes with T34 in the nucleus, inhibiting or at least delaying its exit from the nucleus. Moreover we identified that Apta-34 binds to the well conserved 215 N-terminal amino acids of T34 that contains a putative Nuclear Export Signal. Finally we showed that the deletion of its homologue prevents hBax-induced cell death in yeast. The second part focuses on Apta-32 that targets two paralogues (T32a and b) of a family of proteins involved in the endocytotic membrane trafficking. We showed that Apta-32 is binding to a functional domain of T32. By in silico docking studies we identified 3 distinct binding sites of Apta-32 on this domain. The dominant binding site is composed by amino acid that share physico-chemical properties between binders of Apta-32 (T32a, T32b and a yeast homologue) but not with homologues that do not bind Apta-32. Moreover we identified yeast targets of Apta-32 by yeast two hybrid yeast cDNA library screening. Finally preliminary observations on drosophila embryos expressing Apta-32 suggest that Apta-32 expression could lead to a defect on phagocytosis. This study leads to the identification of regulators of the cell death acting on two distinct pathways.

La voie JAK / STAT est une voie majeure de signalisation intracellulaire, activée par plusieurs cytokines, y compris par les interférons (IFNs). Mon laboratoire a précédemment établi que l'endocytose et le trafic du récepteur de l’IFN alpha/beta (IFNAR) jusqu’à l'endosome précoce, joue un rôle clé dans l’activation de la voie de signalisation JAK/STAT et dans les activités antivirales et antiprolifératives induites par les IFNs de type I. Le récepteur de l’IFN de type I se compose de deux sous-unités: IFNAR1 et IFNAR2. Durant le trafic du récepteur vers l'endosome précoce, les deux sous-unités prennent des itinéraires différents - IFNAR1 est ubiquitiné et dégradé au lysosome tandis que IFNAR2 est recyclé vers la membrane plasmique. Les mécanismes moléculaires permettant un trafic différent des IFNAR1 et IFNAR2 restent mal compris.J’ai tout d’abord étudié le trafic intracellulaire des sous-unités IFNAR1 et IFNAR2 et j’ai pu montrer que les protéines Rab4 et Rab11 sont nécessaires au recyclage d’IFNAR2 à la membrane plasmique. Par la suite, j’ai identifié le complexe rétromère endosomal - VPS26A/VPS29/VPS35 comme un partenaire d’interaction avec IFNAR2 nécessaire pour son recyclage. En outre, j’ai montré que le complexe rétromère contrôle la séparation spatiotemporelle des sous-unités IFNAR1 et IFNAR2 au niveau de l'endosome précoce. En effet, la déplétion du complexe rétromère entraine une prolongation de l’association endosomale de deux sous-unités et une prolongation de la signalisation JAK/STAT induite par l’IFN tant pour la réponse précoce (phosphorylation de STAT1) que la réponse à plus long terme (expression des gènes stimulés par l'IFN). Des résultats en cours de publication par l’équipe montrent un rôle d’ESCRT-0 dans l’initiation de la signalisation JAK/STAT. J’ai montré que le rôle de la machinerie ESCRT dans ce processus est limité au complexe ESCRT-0. Les sous-complexes en aval d’ESCRT-0, bien que nécessaires à la dégradation d’IFNAR1, ne sont pas impliqués dans l’activation de la voie JAK/STAT.En conclusion, ces résultats nous ont permis d’établir un modèle dans lequel le retromère joue un rôle clef dans la régulation spatio-temporelle du tri endosomal d’IFNAR et de la signalisation JAK/STAT au niveau de l’endosome précoce. Après la séparation rétromère-dépendante des sous-unités du récepteur et la terminaison de la signalisation JAK/STAT, la dégradation lysosomale d’IFNAR1 est assurée par la machinerie ESCRT en aval d’ESCRT-0. / The JAK/STAT pathway is a major intracellular signaling pathway that is activated by several cytokines including interferons (IFNs). My laboratory has previously established that endocytosis and trafficking of the IFN alpha/beta receptor (IFNAR) to the early endosome is key for the activation of JAK/STAT signaling and for the antiviral and antiproliferative activities induced by type I IFNs. The functional type I IFN receptor - IFNAR - consists of two subunits: IFNAR1 and IFNAR2. Upon endocytosis to the early endosome, both subunits take different trafficking routes – IFNAR1 is ubiquitinated and degraded in the lysosome, whereas IFNAR2 recycles back to the plasma membrane. The molecular mechanisms behind the separation of IFNAR1 and IFNAR2, as well as their distinct trafficking routes remain poorly understood.First, I studied the intracellular trafficking of IFNAR1 and IFNAR2 subunits and showed the requirement for Rab4 and Rab11 in IFNAR2 recycling to the plasma membrane. Next, I identified the endosomal retromer complex – VPS26A/VPS29/VPS35 as an IFNAR2 interacting partner, required for IFNAR2 recycling. Additionally, I was able to show that retromer controls the spatiotemporal separation of IFNAR1 and IFNAR2 subunits at the early endosome. Indeed, retromer depletion resulted in prolonged endosomal association of both subunits and prolonged activation of IFN-induced JAK/STAT signaling, at both early (STAT1 phosphorylation) and longer time response (IFN-stimulated gene expression). Unpublished results of our team indicate the role of ESCRT-0 in initiation of the IFN-mediated JAK/STAT signaling. I found that role of the ESCRT machinery in this process is limited to the ESCRT-0. ESCRT subcomplexes downstream of ESCRT-0, although required for IFNAR1 degradation, are not involved in activation of the JAK/STAT pathway.In conclusion, these results permit us to draw a model in which the retromer is a key spatiotemporal regulator of IFNAR endosomal sorting and the JAK/STAT signaling at level of the early endosome. Once retromer-mediated subunits separation is accomplished and JAK/STAT signaling is terminated, ESRCT machinery downstream to ESCRT-0 mediates IFNAR1 lysosomal degradation.

ITCH est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans différents processus cellulaires. Elle contient une région riche en prolines (PRR, proline rich region) qui lui permet de lier le domaine SH3 (Src homology 3) d’Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Plusieurs de ces protéines sont impliquées dans l’endocytose clathrine-dépendante de récepteurs tel le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR, epidermal growth factor receptor). Après activation, l’EGFR est internalisé dans des vésicules enrobées de Clathrine et un complexe protéique formé par CBL, CIN85 et Endophiline participe à cet évènement. ITCH lie l’ubiquitine à CBL et à Endophiline pour vraisemblablement modifier leurs fonctions, ce qui suggère un lien direct entre cette ligase et l’endocytose de l’EGFR. Afin de déterminer le rôle d’ITCH dans ce processus, plusieurs expériences furent réalisées. Premièrement, la modalité de liaison entre la ligase ITCH et les protéines à domaine SH3 a été étudiée en détails. Une série de mutations dans la région PRR d’ITCH nous a aidé à identifier trois résidus arginines (R252, R255, R258) nécessaires pour son interaction avec Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Deuxièmement, des lignées cellulaires HeLa et Cos7 furent modifiées génétiquement par CRISPR pour empêcher l’expression d’ITCH. Ces lignées cellulaires knockout furent caractérisées et utilisées dans un essai d’endocytose de l’EGFR, puis examinées par spectrométrie de masse. L’internalisation d’EGFR fut suivie en microscopie confocale à l’aide d’un ligand EGF fluorescent -/- dans les deux types de cellules ITCH . En absence d’ITCH, nous observons une diminution significative du niveau d’EGF internalisé par rapport aux cellules parentales. La surexpression d’ITCH dans les cellules ITCH-/- rétablit l’internalisation normale de l’EGF, confirmant l’implication d’ITCH dans le processus, mais la surexpression des formes mutantes de ITCH incapable de lier Endophiline ou catalytiquement inactive ne rétablit pas l’internalisation de l’EGF. Ces résultats nous permettent de conclure que l’interaction ITCH-Endophiline et la fonction catalytique de ITCH sont nécessaires pour l’endocytose de l’EGFR. Ensemble, ces deux fonctions de ITCH régulent le trafic endocytique de l’EGFR. De plus, les cellules ITCH-/- montrent un délai de dégradation de l’EGFR phosphorylé ainsi qu’une prolongation du temps d’activation de la kinase MAPK (mitogen-activated protein kinase). Finalement, pour explorer l’influence de l’absence d’ITCH sur ses substrats et partenaires moléculaires nous avons effectué une comparaison protéomique des partenaires d’interaction et des protéines ubiquitylées à partir des lysats cellulaires ITCH-/- et WT. Les résultats ont montré que le manque d’expression de la ligase ITCH altère la présence peptidique des protéines liées à la signalisation de l’EGFR, à la voie protéolytique dépendante de l'ubiquitine et à l’adhésion cellulaire. Cette étude révèle pour une première fois que la protéine ITCH est requise pour l’endocytose dépendante de la Clathrine de l’EGFR. / ITCH is a ubiquitin ligase involved in various cellular processes including endocytosis. It contains a proline rich region (PRR) which allows it to bind the SH3 domain of endophilin and other SH3 domain-containing proteins involved in Clathrin-mediated endocytosis (CME). CME is an important regulatory mechanism for growth factor receptor activity. The epidermal growth factor receptor (EGFR) is actively internalized in Clathrin-coated vesicles after activation. This endocytosis is facilitated by a protein complex formed by CBL, CIN85 and Endophilin. ITCH is known to ubiquitinate both CBL and endophilin, providing a potential functional link between the ligase and receptor internalization. In order to determine the role of ITCH in this process, several experiments were performed. First, the mapping of molecular binding sites between the ligase ITCH and SH3 domain proteins has been studied in detail. A series of mutations in the PRR region of ITCH helped us identify three arginine residues (R252, R255, R258) as necessary for its interaction with endophilin and all the tested SH3-domain containing proteins. Secondly, HeLa and Cos7 cell lines were genetically modified by CRISPR to prevent ITCH expression. These knockout cell lines were characterized for use in an EGFR endocytosis assay and for mass spectrometry analysis. EGFR internalization was monitored by confocal microscopy using fluorescent EGF ligand in both ITCH-/- cell types. In the absence of ITCH, a significant decrease in the level of internalized EGF compared to parental cells is visible. Overexpression of WT ITCH in the knockout cells restores normal internalization of EGF, confirming the involvement of ITCH in the process. Overexpression of Endophilin-binding defective or catalytically inactive ITCH does not restore the internalization of EGF in ITCH-/- cells. These results show that the ITCH- Endophilin interaction as well as the catalytic function of ITCH are necessary for the endocytosis of EGFR. In addition, ITCH-/- cells show a delay in the degradation of phosphorylated EGFR accompanied with an extended period of mitogen-activated protein kinase (MAPK) activation. In a last set of experiments, we explored the influence of the absence of ITCH on its substrates and molecular partners. We performed a proteomic comparison of ITCH-binding partners and potential substrates using the ITCH-/- and WT cell lysates. The results showed that the lack of ITCH expression alters the peptide count of proteins mainly related to EGFR signaling, theubiquitin-dependent proteolytic pathway and cell adhesion. This study shows for the first time that the protein ITCH is required for the clathrin-dependent endocytosis of EGFR.