L'apoptose spontanée des lymphocytes T entraine une lymphopénie marquée dans les rats BBDP (BioBreeding Diabetes Prone) conduisant au développement du diabète auto-immun de type I. Le phénotype de la lymphopénie dans ces rats est lié au locus lyp. L'allèle lyp contient une mutation du cadre de lecture à l'intérieur du gène qui code pour GIMAP5 (GTPase of immunity associeted nucleotide binding protein 5). Cette mutation produit une protéine tronquée de 11 Kd. Les mécanismes par lesquels, GIMAP5 assure la fonction de survie des lymphocytes T ne sont pas bien connus. Cependant, des études antérieures ont montré que l'apoptose précoce des cellules T matures était indépendante des caspases, mais est associée à la perte du potentiel de la membrane mitochondriale. D'autres études de surexpression ont montré que GIMAP5 localise dans les mitochondries et le réticulum endoplasmique. En utilisant un antisérurn de lapin contre GIMAP5, nos résultats ont montré que la protéine GIMAP5 endogène est associée à une fraction subcellulaire sédimentable distincte de la mitochondrie et du réticulum endoplasmique dans les lymphocytes T matures de rat normaux. Pour confirmer davantage ces données par la microscopie confocale, nous avons surexprimé rGIMAP5 étiqueté par myc à la partie N-terminale dans les fibroblastes Rat-2, la partie C-terminale transmembranaire étant intacte. Nos résultats suggèrent que GIMAP5 régule l'intégrité de la membrane mitochondriale dans une fraction subcellulaire différente des mitochondries.

Le diabète de Type 1 est une maladie auto-immune caractérisée par la perte de production d'insuline par les îlots [béta] du pancréas. Les causes menant à la destruction de ces îlots par les cellules T autoréactives sont méconnues. Certains événements tels qu'une infection virale ou des facteurs environnementaux peuvent déclencher cette auto-immunité. Chez le rat BB-DP qui développe un diabète de type 1 semblable à l'homme, une mutation qui affecte les cellules T a été découverte. La mutation nommée lyp amène une perte de survie des cellules T dans la périphérie malgré tous les facteurs de survie des cellules T présents chez l'animal. Cette mutation située sur le chromosome 4 affecte un gène de la famille GIMAP, plus particulièrement la protéine GIMAP5 qui se retrouve tronquée et non fonctionnelle. Des résultats du laboratoire ont démontré une implication de GIMAP5 dans la voie du calcium. La manière par laquelle GIMAP5 joue son rôle dans la survie des lymphocytes T n'est pas connue. Afin de comprendre ces fonctions, nous voulons identifier la localisation cellulaire de GIMAP5 ainsi que ses partenaires d'interaction. Les lignées cellulaires transfectées avec le gène de GIMAP5 étiqueté ont été marquées en fluorescence à l'aide de marqueurs d'organelles et examinées en microscopie confocale afin de déterminer la localisation de GIMAP5. Une étude de double-hybride combinée avec des marquages fluorescents à l'aide d'anticorps fluorescents dirigés contre ces protéines et l'utilisation de la microscopie confocale permettent de vérifier les partenaires d'interaction de GIMAP5. Les cellules T de rats gimap5[indice supérieur lyp/lyp] et sauvages ont été utilisées afin de faire des marquages au Rhod-2 (calcium mitochondrial) et de vérifier l'effet de la mutation sur la capacité des mitochondries à absorber le calcium. Une localisation de GIMAP5 au niveau du RE a été identifiée dans les cellules HEK 293T surexprimant GIMAP5, mais n'as [i.e. n'a] pu être vu chez les lignées de cellules T Jurkats. Les résultats de l'étude de double-hybride ont donné des partenaires d'interaction de faible affinité (avec une cote de D). Les essais de microscopie confocale n'ont pu démontrer cette interaction. Finalement, les mitochondries des cellules T de rats gimap5[indice supérieur lyp/lyp] ont une vitesse d'incorporation du calcium plus lente et un retour à la normale plus lent que les mitochondries des cellules T de rats sauvages. Chez le rat, GIMAP5 semble jouer un rôle au niveau de l'homéostasie du calcium et de l'intégrité des mitochondries, puisque la mutation gimap5[indice supérieur lyp/lyp] apporte une baisse du potentiel membranaire des mitochondries et une baisse de l'accumulation du calcium par ces dernières.Le mécanisme par lequel GIMAP5 régule l'homéostasie du calcium reste encore à élucider.

Abstract : Long-term survival of T lymphocytes in a quiescent state is essential to maintain their cell numbers in secondary lymphoid organs. Interaction of the T cell antigen receptor (TCR) with self-peptide/MHC synergizes with IL-7-induced anti-apoptotic signals to promote T cell survival. These extrinsic stimuli are also implicated in T cell metabolism and survival by regulating several signaling pathways including the phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K)/Akt pathway. In mice and in rats, loss of functional GTPase of the immune associated nucleotide binding protein 5 (GIMAP5) causes peripheral T lymphopenia due to spontaneous death of T cells. The underlying mechanisms responsible for the pro-survival function of GIMAP5 in T lymphocytes remain largely unknown. Previous work from my laboratory has shown that T cells from GIMAP5-deficient rats show reduced influx of calcium (Ca[superscript 2+]) from the extracellular milieu following stimulation of the TCR complex. In this thesis, I characterized the mechanism by which GIMAP5 regulates Ca[superscript 2+] homeostasis, and elucidated the signaling pathways modulated by GIMAP5 to facilitate the survival of T cells. Firstly, I investigated if GIMAP5 prevents apoptotic death of T lymphocytes by affecting the Ca[superscript 2+] buffering capacity of mitochondria, which is required for sustained Ca[superscript 2+] influx via the plasma membrane channels. I observed that mitochondrial Ca[superscript 2+] accumulation following capacitative Ca[superscript 2+] entry is defective in T cells from Gimap5 deficient rats. Disruption of microtubules, but not the actin cytoskeleton, abrogated Ca[superscript 2+] sequestration by mitochondria in T cells from control but not Gimap5 deficient mice. Similarly, mice lacking functional GIMAP5 displayed defective T cell development and Ca[superscript 2+] influx. Furthermore, I observed that the proximal signaling events following TCR stimulation was reduced and was accompanied by defective proliferation in T cells from Gimap5 deficient mice. Additionally, IL-7-induced STAT5 phosphorylation was decreased in CD4[superscript +] T cells from Gimap5 deficient mice. I also showed that loss of functional Gimap5 results in increased basal activation of mammalian target of rapamycin (mTOR), independent of protein phosphatase 2A (PP2A) or AMP-activated protein kinase (AMPK). Instead, the constitutive activation the PI3K pathway contributed to the spontaneous high mTOR activation. Collectively, my observations suggest that the pro-survival function of GIMAP5 in T-lymphocytes may be linked to the regulation of diverse signaling pathways in a context dependent manner. GIMAP5 also facilitates microtubule-dependent mitochondrial buffering of Ca[superscript 2+] following capacitative entry. GIMAP5 is required to integrate the survival signals generated following activation through TCR and IL-7R. / Résumé : La survie à long terme des lymphocytes T en état de repos est essentielle pour maintenir leurs nombres dans les organes lymphoïdes secondaires. Le récepteur antigénique des cellules T (TCR) en contact avec les peptides du soi / CMH et en synergie avec l'IL-7 induit des signaux anti-apoptotiques pour favoriser la survie des cellules T. Ces stimuli extrinsèques sont également impliqués dans le métabolisme et la survie des cellules T grâce à la régulation de plusieurs voies de signalisation dont la voie phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K) /AKT. Chez la souris et chez le rat, la perte de l’activité de GIMAP5 (GTPase of Immune Associated Nucleotide Binding Protein 5), provoque une lymphopénie T périphérique en raison de la mort spontanée des cellules T. Le mécanisme sous-jacent responsable de la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T reste largement inconnu. Nous avons observé que les cellules de rats déficients en GIMAP5, après stimulation par complexe TCR, montrent un afflux de calcium (Ca[indice supérieur 2+]) réduit provenant du milieu extracellulaire. Dans cette thèse, J’ai caractérisé le mécanisme d’action de GIMAP5 dans la régulation de l'homéostasie du Ca[indice supérieur 2+], ainsi que les voies de signalisation modulées par GIMAP5 pour faciliter la survie des cellules T. Tout d'abord, j’ai étudié si GIMAP5 empêche l’apoptose des lymphocytes T en affectant la capacité des mitochondries à réguler la concentration du Ca[indice supérieur 2+], ce qui est nécessaire pour soutenir l’influx de Ca[indice supérieur 2+]. J’ai trouvé que l’accumulation du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+] est défectueuse dans les cellules T de rat déficientes en Gimap5. La disruption des microtubules, mais pas du cytosquelette d'actine, abroge la séquestration du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial dans les cellules T primaires de rat, mais pas dans les cellules T déficientes en Gimap5. J’ai observé que les cellules T provenant de souris déficientes en Gimap5 démontrent une diminution de l’entrée de Ca[indice supérieur 2+]. De plus, la prolifération des cellules T déficientes en Gimap5 est diminuée suite à la stimulation du TCR. En outre, la phosphorylation de STAT5 induit par l'IL-7 est diminuée dans les cellules T CD4[indice supérieur +] de souris déficientes en Gimap5. Également, la perte de Gimap5 aboutit à une activation accrue de la cible mammalienne de la rapamycine (mTOR), indépendamment de la protéine phosphatase 2A (PP2A) ou de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK). Au lieu de cela, l'activation constitutive de la voie PI3K contribue à une forte activation spontanée de mTOR. Collectivement, la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T peut être liée à la régulation de différentes voies de signalisation. GIMAP5 facilite la fonction, microtubule dépendant, des mitochondries dans leurs actions de régulation du Ca[indice supérieur 2+] après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+]. GIMAP5 est nécessaire pour intégrer les signaux de survie produits suite à l'activation du TCR et de l’IL-7R, qui pourrait être associée à la régulation de l'activité PI3K / AKT / mTOR.

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La survie des cellules T naïves est essentielle au bon fonctionnement du système immunitaire à long terme. Les rats BBDP (Bio-breeding Diabetes prone) sont caractérisés par une haute prédisposition au développement du diabète ainsi que par une diminution significative du nombre de cellules T naïves. Ces rats comportent une mutation de type décalage de lecture dans le gène codant pour «GTPase Immunity-Associated Protein 5» (Gimap5) ce qui entraine l’apoptose des lymphocytes T. Le mécanisme par lequel la déficience de la protéine GIMAP5 conduit les cellules T à la mort est actuellement méconnu. GIMAP5 a également été associée à différentes maladies auto-immunes, ce qui suggère son influence dans l'homéostasie des lymphocytes T. Des résultats antérieurs de notre groupe de recherche ont montré que l'absence de GIMAP5 entraîne une diminution du flux de Ca2+ ainsi qu’une réduction de la capacité mitochondriale à emmagasiner du Ca2+ suite à la stimulation du TCR. Cependant, GIMAP5 n'est pas une protéine mitochondriale. Afin de mieux comprendre le rôle de GIMAP5 dans la biologie des cellules T, au cours de mes études doctorales, je me suis concentré sur la localisation cellulaire de la protéine ainsi que sur son rôle dans l'homéostasie du Ca2+. Comme modèle d’étude, j'ai établi des lignées cellulaires HEK293T stables pour l’expression de GIMAP5, ainsi que pour différents mutants et variantes de la protéine. Ceci m’a permis d’élucider l'importance du domaine transmembranaire (TM) pour la localisation et le rôle physiologique de GIMAP5 ainsi que la différence entre les deux variantes de cette protéine. Mes résultats ont permis de montrer que l'expression de Gimap5 ne semble pas être nécessaire après l’activation des lymphocytes T. En parallèle, j'ai confirmé nos observations antérieures qui démontrent l’influence de GIMAP5 dans l'homéostasie du Ca2+ et sa colocalization avec les microtubules. En outre, j'ai montré que GIMAP5 se trouve dans des structures de type vésiculaire, particulièrement dans la membrane lysosomale où son domaine TM est essentiel à son bon fonctionnement et localisation. Mes résultats suggèrent que les mitochondries exhibent un défaut dans leur capacité à emmagasiner du Ca2+ au niveau basal, ainsi que suite à l’activation du TCR. Enfin, j'ai démontré pour la première fois, que l'influence de GIMAP5 sur le stockage de Ca2+ lysosomal peut avoir un impact sur la survie des lymphocytes T. D’après ces observations, une des fonctions probables de GIMAP5 serait d’empêcher la fermeture prématurée des canaux de relâche calcique. Finalement, GIMAP5 pourrait être engagé dans des mécanismes visant à prolonger et raffiner la signalisation du Ca2+ dans les cellules T. Bref, la régulation du Ca2+ lysosomal médié par GIMAP5 est essentielle à la survie de cellules T naïves. / Abstract: Healthy and long-term survival of naïve T cells is essential for proper functioning of the immune system. In bio-breeding diabetes prone (BBDP) rats, there is a critical decrease in the number of naïve T cells. In these rats, a recessive frameshift mutation in the GTPase of Immune-Associated Protein 5 (Gimap5) gene induces lymphocytes to undergo spontaneous apoptosis. The death of T cells driven by a deficiency of the GIMAP5 is currently not fully understood. Interestingly, different autoimmune diseases have shown an association with perturbations in the Gimap5 gene, which further suggests its influence in basal lymphocyte homeostasis. Previous findings by our group have shown that the absence of GIMAP5 results in a decrease calcium flux following TCR stimulation and an impaired capacity of the mitochondria to buffer calcium entry. However, GIMAP5 is not a mitochondrial protein. During my Ph.D. studies, I focused on clarifying the cellular localization of GIMAP5 as well as its function in Ca2+ homeostasis in order to further understand its role in T cell biology. As a model, I established HEK293T cells stable for the expression of the different mutants and variants of the GIMAP5 protein. Where I uncovered the importance of the transmembrane domain (TM) for GIMAP5 localization and physiological role, as well as the differences between the two variants of GIMAP5. The results obtained show that the expression of Gimap5 is no longer needed after T cells activation. Moreover, our previous observations were confirmed and expanded upon regarding GIMAP5’s influence on Ca2+ homeostasis and colocalization with the cytoskeleton. It was also shown that GIMAP5 localizes to vesicular-like structures, particularly to the lysosomal membrane, where its TM domain is critical for proper functioning and localization. My results suggest that the mitochondria might be impaired to uptake as well as retain Ca2+ at their full capacity in the absence of GIMAP5. Finally, I observed for the first time that GIMAP5’s influence on lysosomal Ca2+ storage could impact lymphocyte survival. These results suggest that GIMAP5 may work as a backup mechanism to prevent premature closure of Ca2+ channels and Ca2+ influx or as a mechanism to prolong and refine Ca2+ signaling in T cells.