Les microtubules (MTs) sont importants pour des processus cellulaires majeurs comme la polarisation, le trafic membranaire, la division cellulaire ainsi que pour l'architecture intracellulaire. En retour, les organites influencent l'organisation et la dynamique des MTs. Mon projet de thèse vise à élucider les interactions fonctionnelles existantes entre les MTs et la sécrétion en adoptant une approche quantitative et systématique. En synchronisant le trafic de différents cargos grâce au système RUSH (Retention Using Selective Hooks) et à une dépolymérisation complète des MTs, nous avons montré que les MTs ne sont pas strictement nécessaires à la sécrétion des cargos. D'une manière générale nous avons observé que le trafic intracellulaire est ralenti mais toujours possible en présence d'un appareil de Golgi dispersé. Nous avons caractérisé deux populations d'éléments golgiens. Elles sont présentes peu après la dépolymérisation des MTs et sont différentes en terme de composition et de capacité de sécrétion. Nos résultats montrent qu'une maturation fonctionnelle des éléments golgiens est nécessaire pour le trafic post-golgien, basée sur l'acquisition de certains facteurs golgiens non identifiés à ce jour. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'exocytose au niveau de la membrane plasmique. Nous avons observé une sécrétion préférentielle des protéines à proximité des adhésions focales. Différentes techniques de biologie cellulaire nous ont permis de caractériser cet adressage préférentiel vers les sites d'adhésion de la cellule. Nous avons également corrélé les forces exercées par la cellule sur le substrat avec la direction du transport antérograde. / Microtubules (MTs) are important for major cellular processes like cell polarization, intracellular trafficking, cell division, intracellular architecture. Organelles influence back the MTs organization and dynamics. The goal of my project was to study the involvement of MTs in the intracellular trafficking. Thanks to the Retention Using Selective Hooks (RUSH) system to synchronize the trafficking of cargos and with an efficient way to depolymerize MTs, we showed that MTs were not strictly essential to secretion of cargos. More generally, we showed that intracellular trafficking is slowed down but still possible in the presence of a dispersed Golgi apparatus. Moreover, we characterized two populations of Golgi elements in cells without MTs that are different in terms of secretion ability and composition. Our results demonstrated that functional maturation of Golgi elements is needed to ensure post-Golgi trafficking and that MTs driven post-Golgi transport is not strictly required. Besides working on intracellular trafficking without MTs, we conducted a study on the exocytosis at the plasma membrane. By using an antibody coating on coverslips to immobilize secreted cargos, we visualized the first step of arrival at the plasma membrane. We observed a directed and polarized secretion close to focal adhesions that we characterized by different cell biology technics and microscopy (spinning disk, TIRF…). We highlighted a close relationship between forces exerted by the cell on its substrate and the directionality of the anterograde transport by using patterning and Traction Force Microscopy (TFM).

L’acquisition de la fertilité chez les mammifères est le résultat d’un long processus de développement et de maturation de l’axe gonadotrope. Cette fonction cruciale à la survie des espèces est orchestrée par une poignée de cellules localisées au niveau de l’aire préoptique hypothalamique chez le rongeur, sécrétant la gonadotropin-releasing hormon (GnRH). La GnRH stimule la sécrétion de LH et de FSH par l’adénohypophyse, qui stimulent à leur tour les gonades. Les cellules à GnRH naissent dans l’épithélium voméronasal pendant le développement embryonnaire et migrent le long des axones voméronasaux pour atteindre l’hypothalamus. A la naissance le système est entièrement en place, toutefois il subira une phase de maturation avant d’atteindre la puberté, signant le début de la fertilité. Chez l’homme, un défaut de sécrétion de GnRH peut conduire à un hypogonadisme hypogonadotrope idiopathique (IHH) caractérisé par une subfertilité et une puberté retardée voire absente, ou même à un syndrome de Kallmann. Dans une grande partie des cas ce défaut de sécrétion est lié à un défaut de développement prénatal et à une diminution du nombre de neurones à GnRH dans dans l’hypothalamus. Depuis peu, la grande famille des semaphorines, déjà connues pour leurs effets chimiotactiques dans certains types cellulaires, et en particulier la semaphorine3A (Sema3A) via son récepteur la Neuropilin-1 (Nrp1), a été décrite comme un facteur indispensable au développement du système à GnRH et décrit comme un « gène Kallmann ». Toutefois son rôle spécifique dans les cellules à GnRH reste à élucider. Le premier objectif de ma thèse a donc été de déterminer le rôle de l’expression du récepteur Nrp1 dans les neurones à GnRH. Le suivi de la maturation sexuelle des animaux Gnrh::cre, Nrp1loxp/loxp (qui n’expriment pas la Nrp1 exclusivement dans les neurones à GnRH) a révélé l’apparition d’une puberté précoce et d’un phénotype de surpoids en comparaison aux animaux contrôles, corrélé à une accumulation des cellules à GnRH dans l’aire préoptique. L’étude de l’embryogenèse du système à GnRH chez ces animaux a démontré une augmentation du nombre de cellules à GnRH pendant leur migration. Nos résultats obtenus in vivo et in vitro suggèrent que la signalisation Nrp1 a un impact sur la survie des neurones à GnRH, et qu’elle module la motilité des cellules en migration et influe leur positionnement dans le cerveau. Le deuxième objectif de ma thèse a été d’étudier le rôle de l’exocytose dépendante du calcium et donc de la neurosécrétion dans les neurones à GnRH sur leur développement. Le suivi de la physiologie d’animaux Gnrh::cre; iBot, dont l’exocytose dépendante du calcium est abolit par clivage de protéine VAMP2/synaptobrevin 2 dans le neurone à GnRH, a révélé l’apparition de deux phénotypes distincts selon la pénétrance du transgène : un groupe ayant une puberté normale et un poids comparable aux animaux contrôles, et un groupe ayant une puberté retardée voire inexistante associé à un surpoids. Ces derniers présentent un IHH, une augmentation du tissu adipeux périgonadique et une hyperleptinémie, alors que la distribution des neurones à GnRH dans le cerveau n’est pas altérée. Ces données mettent en évidence le fait que l’activité de neurosécrétion dans les neurones à GnRH ne serait pas nécessaire pour leur développement embryonnaire, mais qu’elle pourrait jouer un rôle dans le maintien de l’homéostasie énergétique.Ces deux études mettent en avant un lien étroit entre axe gonadotrope et métabolisme énergétique chez les mammifères et ont dévoilés de nouveaux mécanismes qui pourraient être impliqués dans la physiopathologie de la reproduction chez l’homme. / Fertility in mammals is the result of a long development and maturation process of the hypothalamic-pituitary-gonadal axis. The reproductive function is orchestrated by a small population of neurons, located in preoptic area of hypothalamus in rodents, and releasing in a pulsatile manner Gonadotropin-releasing hormon (GnRH) in the portal blood vessels, where it is transported to the anterior pituitary gland. GnRH neuropeptide triggers synthesis and release of the gonadotropins LH and FSH, which in turn stimulates development and function of the gonads. GnRH neurons differenciate extracerebraly in the nasal placode and migrate from the vomeronasal organ to the forebrain along olfactory/vomeronasal nerves. At birth, the system is ready, however it will undergo a maturation phase before reaching puberty, signing the beginning of fertility. Deficiency in GnRH release can lead to idiopathic hypogonadotropic hypogonadism (IHH), characterized by a defect in sexual maturation and delayed or no puberty, or even to Kallmann syndrome when the IHH is associated with a deficit in the sens of smell. These phenotypes could be linked to a defect during GnRH neuron migration period and a decrease of GnRH cells located in hypothalamus after birth. Numerous studies have described the influence of different molecules on the migration of GnRH neurons. Recently, the semaphorin family, well known for its chemotactic effects in some cell types, and particularly the semaphorin3A (Sema3A), has been described by our laboratory as an essential factor for the guidance of GnRH neurons during embryogenesis, and characterized as a « Kallmann gene ». However, the role of Sema3A, and its specific receptor Neuropilin-1 (Nrp1) in GnRH neurons remains to be elucidated. The first objective of my thesis was to determine the role of the expression of Nrp1 in GnRH neurons. The analysis of sexual maturation in mice in which Nrp1 expression was selectively knocked out in GnRH neurons revealed a precocious onset of puberty and overweight compared to control littermates, correlated with an accumulation of GnRH neurons in preoptic area. The study of the development of the GnRH system during embryogenesis has shown an increased number of cells during migration. In vivo and in vitro data suggested the involvement of Nrp1 signaling pathway in the survival of GnRH neurons, the control of their motility during migration, and their final positioning in the brain.The second objective of my thesis was to study the role of Calcium-dependent exocytosis, and thus neurosecretion, in GnRH neurons on their development. The monitoring of Gnrh::cre; iBot animals, in which calcium-dependent exocytosis is abolished by cleavage of VAMP2/synaptobrevin2 protein in GnRH neurons, showed the distinction of two different phenotypes. A subpopulation of mice underwent normal puberty onset, with a similar bodyweight than control littermates, and the other one never reached puberty and developed overweight. The later animals exihibited IHH, increase of the volume of perigonadic fat tissue, and hyperleptinemia, with no alteration of GnRH neuron number and distribution. This data established that neurosecretion in GnRH neurons is not a prerequisite for their migration during embryonic development but revealed that it could play an important role in metabolic homeostasis.Together these two studies highlight an intriguing direct connection between GnRH neurons and energy metabolism in mammals as well as new mechanisms that could be implicated in reproductive physiopathology in human.

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

L'encodage du signal acoustique en impulsions nerveuses se réalise au niveau des synapses à ruban des cellules ciliées internes (CCI) de la cochlée. Une dépolarisation déclenche l'exocytose des vésicules synaptiques suite à l'activation des canaux calciques CaV1.3 et à l'action d'un senseur calcique particulier, l'otoferline, une grande protéine se composant d'un domaine transmembranaire en C-terminal et de six domaines C2 (A-F) pouvant lier le Ca2+ et les phospholipides. Afin de caractériser le rôle de ces différents domaines C2, nous avons utilisé des vecteurs viraux (AAV) permettant l'expression de formes raccourcies de l'otoferline (mini-Otof) in vivo dans les CCI de souris dépourvues d'otoferline (Otof -/-). Nous montrons que les mini-Otof contenant les domaines C2-EF, C2-DEF ou C2-ACEF sont suffisantes pour restaurer l'exocytose rapide des CCI Otof -/-, sans toutefois restaurer l'audition car le recrutement des vésicules synaptiques reste altéré. Nous révélons pour la première fois la présence d'une endocytose ultra-rapide (t < 20 ms) dynamine- et otoferline-dépendante, une fonction certainement essentielle à l'homéostasie membranaire des CCI. L'expression des mini-Otof C2-EF et C2-DEF a également permis de restaurer partiellement la composante rapide de l'inactivation du courant calcique des CCI, celle-ci étant absente chez les souris Otof -/-. Cette inactivation rapide est réalisée par les isoformes courtes Cav1.3S qui ont leur partie C-terminale régulatrice tronquée, contrairement aux isoformes longues Cav1.3L dépourvues d'inactivation. Afin de différencier les rôles spécifiques de ces isoformes dans le cycle des vésicules synaptiques, nous avons utilisé la technologie CRISPR-Cas9, nous permettant d'éditer spécifiquement la partie C-terminale régulatrice des canaux Cav1.3L. Nos résultats montrent que les souris CRISPR-Cav1.3L présentent une surdité sévère expliquée au niveau des CCI par un défaut de recrutement vésiculaire aux zones actives, alors que les Cav1.3S inaltérés contrôlent la fusion rapide des vésicules synaptiques. / The precise encoding of acoustic signals into nerve impulses is achieved at the ribbon synapses of inner hair cells (IHC) of the cochlea. Exocytosis of synaptic vesicles by IHC is triggered by voltage-activation of Cav1.3 calcium channels and the action of a specific calcium sensor, otoferlin, a large protein with a single C-terminal transmembrane domain and six C2 (A-F) domains which binds Ca2+ and interacts with phospholipids. In order to characterize the function of the various otoferlin C2 domains, we used viral vectors (AAV) allowing the expression of shortened forms of otoferlin (mini-Otof), in vivo, in IHC from mice lacking otoferlin (Otof -/-). We show that mini-Otof containing C2-EF, C2-DEF or C2-ACEF domains are sufficient to restore fast synaptic vesicle exocytosis in Otof -/- IHC, but without restoring hearing because vesicular replenishment remains impaired. For the first time, we also uncover an ultra-fast endocytosis (t < 20 ms) dynamin- and otoferlin-dependant, a function that is certainly essential for a fast regulation of IHC membrane homeostasis. Furthermore, the expression of the mini-Otof C2-EF and C2-DEF also partially restored the fast component of the Ca2+ current inactivation in Otof -/- IHC. This rapid inactivation is carried out by Cav1.3S short isoforms which have a truncated C-terminal regulatory domain, unlike Cav1.3L long isoforms which display no inactivation. To characterize the specific role of these Cav1.3 isoforms, we used CRISPR-Cas9 technology, allowing a specific removal of the C-terminal regulatory part of the Cav1.3L channels in IHC. Our results show that CRSIPR- Cav1.3L mice display severe deafness explained at the IHC level by a defect in vesicular replenishment of the active zones, while Cav1.3S are sufficient to ensure fast and transient exocytosis of docked synaptic vesicles.

La sécrétion régulée d'hormones est un processus décomposable en plusieurs étapes : migration des granules de sécrétion (GS) vers la membrane plasmique (MP), accostage et arrimage des GS à la MP, exocytose ou fusion des GS avec la MP permettant la libération du contenu des GS dans le milieu extracellulaire. Bien que très utiles, les méthodes électrophysiologiques et électrochimiques ne donnent d'informations ni sur la localisation ou les mouvements des GS avant fusion, ni sur le devenir de la membrane des GS après fusion. Plusieurs techniques d'imagerie in vivo cherchent à répondre à ces questions. La mieux adaptée est la microscopie de fluorescence à excitation par onde évanescente (TIRFM) qui permet d'observer les mouvements de GS individuels à proximité immédiate de la MP. Nous avons appliqué cette approche à l'étude de la sécrétion des cellules BON (lignée dérivée d'un carcinome). Leur stimulation a été faite par la technique du Ca cagé, appliquée pour la première fois en microscopie TIRF. Après exocytose, nous avons observé et quantifié le phénomène de persistance de la forme d'une partie des GS, ainsi que l'exocytose séquentielle de GS situés plus à distance de la MP. De manière surprenante, l'exocytose séquentielle représente ~25% des événements d'exocytose. L'analyse détaillée des trajectoires en 3 dimensions des GS avant leur fusion nous a montré qu'environ 40% des GS effectuent une transition de 20 nm vers la MP, puis fusionnent dans un délai de ~3 s. Cette observation originale de la transition entre l'accostage et l'arrimage des GS pourrait être la traduction d'évènements moléculaires impliqués dans l'amorçage des GS, nécessaire à la fusion.

No description available.

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

L’homéostasie cellulaire est intimement liée au trafic membranaire, processus dynamique qui permet les échanges de lipides et de protéines entre les compartiments cellulaires mais aussi entre la cellule et le milieu extracellulaire. L’intersectin-1 (ITSN1) est une protéine d’échafaudage multifonctionnelle, impliquée dans les processus d’endocytose, d’exocytose, diverses voies de signalisation ainsi que dans la survie cellulaire. L’ensemble de mes travaux de doctorat a permis d’identifier deux nouveaux partenaires de l’ITSN1, RhoU et l’OPHN1, et de montrer leur implication dans le trafic membranaire. De plus je démontre que les variants d’épissage de l’ITSN1 pourraient avoir une spécificité d’interactiondifférente vis-à-vis de ses partenaires. Nous montrons aussi que l’ITSN1 est capable de former des complexes entre ses différentes isoformes. Ainsi, l'ensemble de ces données apportent de nouvelles connaissances sur l’interactôme d’ITSN1. / The cellular homeostasis is tightly linked to the membrane trafficking, a dynamic process which allows lipid and protein exchange between the cellular compartments as well as the cell and the environment. Intersectin1 (ITSN1) is a multifunctional scaffold protein implicated in the processes of endocytosis and exocytosis, different signaling pathways and cell survival. In present study I have identified two new partners of ITSN1, RhoU and OPHN1, and demonstrated their implication in membrane trafficking. Surprisingly, I have also found that the alternative splicing of ITSN1-L can lead to the change of the specificity of its interaction with binding partners. In addition, I have shown that different ITSN1 isoforms are capable to form complexes with each other. All together these data add new knowledge to ITSN1 interactome.

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.

Le diabète de type 2, défini par une hyperglycémie chronique, résulte d'un déficit de la sécrétion d'insuline et d'une insulinorésistance. Durant le prédiabète qui précède la maladie, la cellule ß pancréatique est capable d'établir une hyperactivité sécrétoire compensatrice de l'insulinorésistance. Les NO synthases neuronales (nNOS) pancréatique et musculaire contrôlent respectivement la sécrétion d'insuline induite par le glucose dans la cellule ß et la force contractile, la captation et l'utilisation du glucose dans les myocytes. Dans le modèle génétique du rat obèse Zucker fa/fa mimant l'état prédiabétique associant un hyperinsulinisme et une insulinorésistance, nous avons retrouvé au niveau de la cellule ß une forte augmentation du complexe entre la nNOS et son inhibiteur endogène PIN (Protein Inhibitor of Neuronal NOS) au niveau des granules de sécrétion d'insuline. Ce complexe, grâce à une interaction accrue avec la myosine V, participe à l'hyperactivité sécrétoire de la cellule ß pancréatique. En effet, des molécules inhibant spécifiquement l'interaction nNOS-PIN permettent de rétablir, chez le rat fa/fa, une sécrétion d'insuline normale. Au niveau musculaire, nous avons observé, dans ce modèle animal, une diminution d'expression de la nNOS sans variation du taux d'ARNm, traduisant une protéolyse accrue de la protéine. L'inhibition de la dégradation protéasomale permet de restaurer l'expression et l'activité catalytique de la nNOS dans le muscle squelettique. Cette perte de fonctionnalité de l'enzyme participerait à l'installation de l'insulinorésistance. Ces travaux ont permis de valider la nNOS comme une cible potentielle pour la prévention du diabète de type 2. / Type 2 diabetes is a chronic disorder defined by chronic hyperglycemia resulting from a deficiency of insulin secretion and an insulin resistance in peripheral tissues and liver. A long lasting silent phase, called prediabetes, precedes the disease and in which pancreatic ß cell is able to improve insulin secretion to compensate for the insulin resistance. The pancreatic and muscular neuronal nitric oxide synthases (nNOS) control respectively glucose-induced insulin secretion in pancreatic ß cell and glucose uptake and utilization in myocytes. In the genetic model of obese Zucker fa/fa rat mimicking the prediabetic state characterized by hyperinsulinemia and insulin resistance, we found a high increase in the amount of the complex between nNOS and its endogenous inhibitor PIN (Protein Inhibitor of Neuronal NOS) at the level of insulin secretory granules within the ß cell. This complex, through an increased interaction with myosin V, participates in the secretory hyperactivity of the pancreatic ß cell, observed in this model of prediabetes. Indeed, molecules that specifically inhibit nNOS-PIN interaction allow to restore a normal insulin secretion in fa/fa rat. In skeletal muscle of this model, we observed a decreased expression of nNOS protein with no change in mRNA levels, suggesting an increased proteolysis of the protein. Inhibition of proteasomal degradation restores the expression and the catalytic activity of nNOS in skeletal muscle. Thus, this loss of functionality of the enzyme could participate in the installation of insulin resistance. This work therefore validated nNOS as a potential target for the prevention of type 2 diabetes.