Neurotransmitter release is modulated by multiple regulatory mechanisms that control several stages of synaptic vesicle (SV) exocytosis. At the final stage, SV fusion with the presynaptic membrane requires calcium influx through voltage-gated calcium channels, and regulatory mechanisms that alter the surface expression or conductance of calcium channels have large effects on neurotransmitter release. To determine how these mechanisms contribute to synapse-specific modulations of neurotransmitter release and synaptic strength, we require a means to monitor presynaptic calcium transients at individual synapses. Genetically encoded calcium indicators (GECIs), engineered proteins that change their fluorescence emission properties upon calcium binding, generally lack the sensitivity to measure such transients in response to isolated stimuli. Therefore, we modified the GECI, GCaMP3, by altering its sensitivity for calcium. Our results suggest the modified GCaMP-based presynaptically targeted GECIs are excellent tools to quantify presynaptic calcium transients at individual synapses in response to isolated action potentials.

La protéine GABARAPL1 (GABARAP like 1) ou GEC1 (Glandular Epithelial Cell 1), présente de forts pourcentages d'identité avec les protéines GABARAP (GABAA Receptor-Associated Protein), GATE-16 (Golgi-Associated ATPase Enhancer of 16 kDa) et Atg8 (Autophagy-related 8) ainsi qu'une identité moindre avec les protéines de la sous-famille LC3 (Light Chain 3). GABARAPL1 est exprimée dans tous les tissus, préférentiellement dans le système nerveux central, et intervient dans le transport intracellulaire des récepteurs GABAA (Gamma-AminoButyric Acid type A receptor) et KOR (K Opioid Receptor). De plus, une faible expression du gène gabarap1 est observée dans diverses lignées cancéreuses, suggérant son implication dans la genèse et/ou la progression tumorale. La recherche de partenaires protéiques a abouti à l'identification de différentes protéines. L'interaction entre GABARAPL1 et la protéine HSP90 (Heat Shock Protein 90) nouvellement identifiée a été étudiée dans le cerveau de rat et dans les cellules MCF-7. Ainsi, nous avons montré que HSP90 protège GABARAPL1 de la dégradation par le protéasome. Par ailleurs, il a été établi qu'au cours de !'autophagie, GABARAPL1 est clivée, maturée puis conjuguée à des phospholipides. Elle co-Iocalise alors partiellement au niveau de lysosomes et d'autophagosomes. Nous avons également démontré que gabarap1 est faiblement exprimé dans les tissus tumoraux de sein et que la surexpression de la protéine FLAG-GABARAPL1-6HIS dans les cellules MCF-7 diminue considérablement leur croissance. De plus, une forte expression de gabarapl 1 est corrélée à une augmentation de la survie de patientes atteintes de cancer du sein avec envahissement ganglionnaire. / The GABARAPL1 (GABARAP like 1) protein, also named GECl (Glandular Epithelial Cell 1), displays a high percentage of identity with the GABARAP (GABAA Receptor-Associated Protein), GATE-16 (Golgi-Associated A TPase Enhancer of 16 kDa) and Atg8 (Autophagy-related 8) proteins, and a lesser identity with LC3 (Light Chain 3) family of proteins. The GABARAPL1 protein is expressed in ail tissues, predominantly in the central nervous system and is involved in intracellular transport of GABAA receptors (Gamma-AminoButyric Acid type A receptor) and KOR (K Opioid Receptor). In addition, a Iow expression of the gabarap1 gene was shown in various cancer cell lines, suggesting its involvement in the genesis and/or progression oftumors. The search for GABARAPL 1 prote in partners has Ied to the identification of different proteins. The interaction between GABARAPL1 and the protein partner: HSP90 (Heat Shock Protein 90) was studied in rat brain and MCF-7 cells, in which we showed that HSP90 protects GABARAPL1 from degradation by the proteasome. Additionally, it was established that during autophagy, GABARAPL1 is cleaved to its mature form and conjugated to phospholipids. lt then co-localizes partially with lysosomes and autophagosomes. We also demonstrated that gabarap!J is weakly expressed in breast tumor tissues and that overexpression of the FLAG­GABARAPL1-6HIS recombinant protein in MCF-7 cells significantly reduces their growth. Finally, a strong expression of gabarap1 is correlated with increased survival of patients with lymph node-positive breast cancer.

Le gène gec1/gabarapl1 (glandular epithelial cell 1/gabarap like 1), identifié au sein de notre équipe, est un gène apparenté à la famille atg8 (autophagy related gene 8) et  la  sous-­‐famille  gabarap  (GABAA  receptor  associated  protein)  incluant  les  gènes  gabarap, gabarapl1, gabarapl2 et gabarapl3. Les protéines codées par ces gènes présentent de très fortes identités de séquences et des structures similaires. Le gène gabarapl1 est exprimé préférentiellement dans le SNC dans lequel il est le transcrit de la famille atg8 le plus fortement exprimé. Des études fonctionnelles ont démontré que la protéine GABARAPL1 intervient dans le trafic intracellulaire de récepteurs, et plus particulièrement  du  récepteur  GABAA  et  du  récepteur  aux  κ-­‐opioïdes,  via  son  interaction avec les microtubules. Cependant, le rôle de cette protéine ne se limite probablement  pas  au  seul  transport  de  ces  récepteurs.  Notre  équipe  a  d’ailleurs  récemment démontré que GABARAPL1 est impliquée dans le processus d’autophagie, un mécanisme de dégradation cellulaire. Dans  le  cadre  de  ma  thèse,  j’ai  eu  trois  objectifs :  (1)  l’étude  de  la  spécificité  d’anticorps anti-­‐GABARAPL1 commerciaux disponibles, (2) la cartographie détaillée de l’expression de GABARAPL1 dans le cerveau murin et (3) l’étude de la surexpression de GABARAPL1 dans un modèle neuronal in vitro en conditions de stress mitochondriaux. Etant donné la forte homologie entre GABARAPL1 et GABARAP, aucun anticorps spécifique  commercial  n’était  disponible  lorsque  nous  avons  débuté  mon  projet  de  recherche. Nous avons donc, dans un premier temps, étudié la spécificité des différents anticorps commerciaux anti-­‐GABARAPL1 disponibles et identifié un anticorps capable de détecter de façon spécifique cette protéine in vitro et in vivo. Grâce  à  cet  anticorps  spécifique,  nous  avons  ensuite  entrepris  l’étude  de  l’expression in vivo de la protéine GABARAPL1 dans le SNC de souris chez l’adulte et au cours du développement embryonnaire. Nous avons ainsi démontré que GABARAPL1 est exprimée dans les neurones immatures et les fibres neuronales à partir du 11e jour de  développement  et  son  expression  augmente  progressivement  jusqu’à  un  taux  maximal observé chez l’adulte. Chez l’adulte, GABARAPL1 est exprimée uniquement dans  les  neurones  et  plus  particulièrement  dans  ceux  impliqués  dans  les  fonctions  motrices et neuroendocrines. De plus, nous avons noté que le marquage ponctiforme de  GABARAPL1  co-­‐localise  partiellement  avec  p62  dans  des  cultures  neuronales  primaires, confirmant son association aux vésicules autophagiques in vivo. Pour caractériser la fonction cellulaire de GABARAPL1, nous avons surexprimé cette protéine dans des cellules neuronales SK-­‐N-­‐BE(2). L’étude de ce nouveau modèle neuronal a montré que la surexpression de DsRed-­‐GABARAPL1 semble potentialiser la réponse  autophagique  des  cellules,  ce  qui  permet  une  induction  plus  précoce  suite  à  des traitements induisant l’autophagie. De plus, la surexpression de GABARAPL1 inhibe la mort des cellules soumises à des stress ciblant les mitochondries (CCCP), ce qui  suggère  que  GABARAPL1  pourrait  protéger  les  neurones  contre  certains  stress  aggravant la progression des maladies neurodégénératives. L’ensemble  de  ces  travaux  a  permis  d’identifier  un  outil  spécifique  à  l’immunodétection de GABARAPL1, de cartographier son expression dans le SNC murin au cours du développement et chez l’adulte et finalement, de démontrer un rôle protecteur  de  GABARAPL1  contre  la  mort  neuronale  induite  par  un  stress  mitochondrial. / The gec1/gabarapl1 gene (glandular epithelial cell 1/gabarap like 1), identified within our team, is a gene related to the atg8 (autophagy related gene 8) family and the gabarap  (GABAA  receptor-­‐associated  protein)  subfamily  of  genes  including  gabarap,  gabarapl1, gabarapl2 and gabarapl3. The protein products of these genes present a very  strong  sequence  identity  and  are  structurally  similar.  The  gabarapl1  gene  is  expressed preferentially in the central nervous system, in which it is the most highly expressed  transcript  of  the  atg8  family.  Functional  studies  have  shown  that  the  GABARAPL1 protein is involved in intracellular trafficking of receptors, in particular the  GABAA  receptor  and  the  κ-­‐opioid  receptor,  via  its  interaction  with  cytoskeletal  elements. The role of this protein, however, is clearly not limited to the transport. Our team has also recently shown that GABARAPL1 is involved in the autophagic process, a cellular degradation mechanism. My  thesis  objectives  were  three-­‐tiered:  (1)  the  study  of  the  specificity  of  anti-­‐GABARAPL1 antibodies, (2) the detailed mapping of GABARAPL1 expression in the mouse  brain  and  (3)  the  study  of  GABARAPL1  overexpression  under  conditions  of  mitochondrial stress in an in vitro neuronal model. Given the high homology between GABARAPL1 and GABARAP, no commercially available  specific  antibody  was  available  when  we  started  my  research  project.  As  such, we conducted a study on the specificity of different commercially available anti-­‐GABARAPL1 antibodies and identified an antibody that specifically recognized this protein in vitro and in vivo experiments. With this specific antibody, we then undertook a study of the in vivo expression of the GABARAPL1 protein in the adult mouse central nervous system and throughout embryonic development. In this study, we demonstrate that GABARAPL1 is expressed in immature neurons and neural fibers in the embryo from the 11th day of embryonic development and its expression gradually increases to a maximum in adults. In adults, GABARAPL1 is expressed in neurons, in particular, in those involved in motor control and  neuroendocrine  functions.  The  punctate  labeling  of  GABARAPL1  partially  co-­‐localizes with p62 in primary neuronal cultures, confirming its association with autophagic vesicles in vivo. To  characterize  the  cellular  function  of  GABARAPL1,  we  overexpressed  this  protein in neuronal SK-­‐N-­‐BE (2) cells. The study of our neuronal cell model revealed that  overexpression  of  DsRed-­‐GABARAPL1  appears  to  prime  cells  for  autophagy,  resulting in an earlier induction of autophagy after treatments that induce this processes.  In  addition,  overexpression  of  this  protein  delays  cell  death  in  a  CCCP-­‐induced mitochondrial stress model, suggesting that GABARAPL1 could protect neurons  against  certain  stresses  known  to  contribute  to  the  development  of  neurodegenerative diseases. Together,  this  work  has  identified  a  specific  tool  for  the  immunodetection  of  GABARAPL1, produced a detailed map of GABARAPL1 expression in the developing and  adult  murine  central  nervous  system  and  finally,  demonstrated  a  protective  role  for GABARAPL1 against neuronal death induced by mitochondrial stress.