Le gliome infiltrant du tronc cérébral (en anglais “diffuse intrinsic pontine glioma”, DIPG) est une tumeur pédiatrique rare et très agressive. La durée moyenne de survie après diagnostic est inférieure à un an. Une caractéristique génétique majeure des DIPG est la mutation de l’histone H3 (H3K27M). L’évolution des connaissances en épigénétique a permis de concevoir des inhibiteurs de régulateurs épigénétiques capables de modifier, voire de contrebalancer, l’effet de cette mutation. Ainsi, le panobinostat (PS), un inhibiteur des histone-désacétylases, diminue la croissance cellulaire et conduit à la mort des cellules de DIPG in vitro et in vivo. Son efficacité est en cours d'évaluation dans des essais cliniques. Mon projet de thèse avait pour objectif de déterminer le rôle d’EBP50 et d’IRSp53, deux protéines spécifiquement dérégulées dans les lignées de DIPG après traitement des cellules par le PS. EBP50 est connue pour intervenir dans la progression tumorale mais sa dualité de fonction, à la fois oncogène et suppresseur de tumeur, nous a conduits à étudier plus précisément son rôle dans les cellules de DIPG. IRSp53 a été peu étudiée dans les cancers solides, bien qu'elle semble jouer un rôle important dans la motilité cellulaire et l’invasion. La diminution de l’expression d’IRSp53 et d’EBP50 par ARN interférence dans des lignées DIPG induit la mort des cellules par apoptose et bloque leur croissance ainsi que leur motilité cellulaire, ce qui suggérerait que ces deux protéines sont oncogéniques dans ce modèle. De plus, la localisation cytoplasmique et nucléaire d’EBP50 semble en accord avec son rôle pro-oncogénique dans les cellules de DIPG. En étudiant in vitro l’effet d’un traitement combinatoire du PS avec des inhibiteurs de l’expression d’EBP50 ou d’IRSp53, j’ai mis en évidence une augmentation de la sensibilité des cellules de DIPG au traitement par le PS. Enfin, j’ai validé le traitement ciblant EBP50 in vivo dans un modèle préclinique d’embryon de poulet. En conclusion, ces deux protéines constituent de nouvelles cibles thérapeutiques dans les DIPG et un moyen d’augmenter l’efficacité du PS. / Diffuse Intrinsic Pontine Glioma (DIPG), is a rare and highly aggressive pediatric tumor. The average survival time after diagnosis is less than one year. A major genetic characteristic of this disease is the mutation of histone H3 (H3K27M). The evolution of knowledge in epigenetics has made it possible to design epigenetic regulatory inhibitors able to modify, or even offset, the effect of this mutation. For example, panobinostat (PS), a histone deacetylase inhibitor, reduces cell growth and induces DIPG cell death, both in vitro and in vivo. Its effectiveness is currently being evaluated in clinical trials. My thesis project aimed at determining the role of two proteins, EBP50 and IRSp53, deregulated in different DIPG cell lines after treatment with PS. EBP50 has already been described as involved in tumor progression but its dual function, both oncogenic and tumor suppressor, has led us to further investigate its role in the DIPG cells. IRSp53 has been poorly studied in solid cancers, though it plays an important role in cell motility and invasion. Down-regulation by RNA silencing of these two proteins in DIPG cell lines induces apoptosis, decreases cell growth and motility, leading us to the hypothesis that these two proteins are oncogenic proteins. In addition, the cytoplasmic and nuclear localization of the EBP50 protein is consistent with its oncogenic role in DIPG cells. Then, I investigated the effect of combinatorial therapy that associates PS with EBP50 or IRSp53 expression inhibitors. My results show an increase in the antitumor effect in vitro for both proteins but also in vivo for EBP50, in a preclinical model, the chicken embryo. In conclusion, these two proteins could be the targets of new treatments for DIPG tumors in combination with PS to enhance its efficacy.

The I-BAR proteins are a family of actin regulators which include IRSp53 and Missing-In-Metastasis (MIM). These proteins possess an N-terminal I-BAR domain which associates with both the actin cytoskeleton and membrane phospholipids and is able to induce membrane curvature. Previous cell culture and in vitro studies have implicated I-BAR proteins in the regulation of actin protrusion formation, however their roles within the organism are poorly understood. We have used Drosophila melanogaster as a model system in which to study I-BAR protein function at the cellular and organismal level. Drosophila possess two I-BAR proteins, one homologous to IRSp53 and one homologous to MIM. Using full- length and truncated splice variants generated for both dMIM and dIRSp53, we have performed structure/function analysis to determine the role of specific domains in the localisation and actin modifying abilities of the proteins in both cell culture and in vivo. We found that dMIM overexpression typically promotes a lamellipodial morphology, with dMIM localising to the edges of extending lamellipodia. dIRSp53 expression induced a more filopodial phenotype in cell culture, which was not as notable in vivo, however expression of a dIRSp53 splice variant with a WH2 domain resulted instead in a predominantly lamellipodial morphology. Similar to dMIM, dIRSp53 localises to the tip of extending protrusions, albeit more transiently. We found that multiple domains contribute to the localisation and activity of dIRSp53 and dMIM. Following overexpression analysis, complementary loss-of-function analysis was performed in vivo using Drosophila mutants lacking dMIM, dIRSp53 or both genes together. Surprisingly these mutants were viable and morphologically normal. Absence of these genes individually or together did not greatly affect cell migration or actin dynamics in haemocytes or epithelial cells undergoing dorsal closure. However, a role for I- BAR proteins in axonal filopodia formation within primary neuronal cultures was apparent, as was a notable role in neuromuscular junction morphology. We have also identified potential redundancy between Drosophila MIM and the Drosophila F-BAR protein Cip4 in actin bundle regulation within embryonic haemocytes, with an additional novel role for Cip4 alone in haemocyte lamellipodial maintenance. Our results suggest that the Drosophila I-BAR proteins contribute to actin cytoskeleton regulation in vitro and in vivo, particularly within the CNS, and with novel shared functions with other BAR domain family proteins contributing to their regulation of actin cytoskeletal organisation and function.

La phosphoinositide phosphatase SHIP2 est une protéine capable de moduler le PI(3,4,5)P3, le PI(4,5)P2 et le PI(3,4)P2 qui sont des phosphoinositides importants lors des remaniements membranaires de la cellule. La régulation de la composition en phosphoinositides des membranes permettant l’assemblage de complexes protéiques est primordiale pour la génération de protrusions essentielles pour la migration et l’invasion cellulaire. D’autre part, SHIP2 possède des propriétés d’échafaudage permettant sa participation à plusieurs complexes multi-protéiques et à son ancrage à des localisations subcellulaires spécifiques. Plusieurs études ont montré que SHIP2 pouvait jouer un rôle dans le développement de certains cancers dont le cancer du sein. Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence deux nouveaux partenaires de SHIP2 :IRSp53 et CIN85. Ces deux protéines participent respectivement à la formation d’invadopode et à l’endocytose. IRSp53 et CIN85 lient la même région C-terminale riche en prolines (PRR-II) de SHIP2, mais toutefois pas par les mêmes séquences. Cette région contient plusieurs motifs consensus permettant l’interaction de SHIP2 avec plusieurs autres partenaires connus comme l’intersectine, une protéine impliquée dans l’endocytose et Mena, un partenaire commun de SHIP2 et d’IRSp53 impliqué dans l’invasion cellulaire. Nous avons également montré que la mutation de la F1053 située dans la PRR-II de SHIP2 est, essentielle pour la liaison à l’intersectine, impliquée dans la stabilité de la liaison avec Mena et IRSp53 mais pas impliquée dans la liaison de CIN85. De plus, nous montrons qu’à la différence d’IRSp53 qui n’en possède qu’un, CIN85 possède trois domaines SH3 mais ne doit lier que deux motifs dans la PRR-II de SHIP2 afin d’assurer sa complète interaction.Dans les cellules dérivées du cancer du sein MDA-MB-231, nous avons montré que Mena n’est pas nécessaire pour l’interaction entre SHIP2 et IRSp53. Cependant, nous avons observé que l’absence de Mena dans les MDA-MB-231 diminue l’organisation du cytosquelette d’actine-filamenteuse et modifie la localisation subcellulaire de SHIP2 et IRSp53 en augmentant leur concentration à la membrane. Ces données renforcent l’hypothèse que SHIP2 participent à la formation de complexes multi-protéiques qui pourraient favoriser (1) la capacité d’élongation de l’actine de Mena, (2) la courbure de la membrane induite par IRSp53, (3) la production de PI(3,4)P2 par SHIP2 lui-même et (4) le recrutement d’autres protéines participant aux remaniements de la membrane. L’ubiquitination de SHIP2 que nous avons également étudiée pourrait aussi être un élément de régulation de ces complexes. La poursuite de l’étude de la spécificité d’interaction de SHIP2 pour ses divers partenaires dans un contexte pathologique pourrait donc aider à la compréhension de la dynamique des interactions protéiques essentielles au développement de tumeurs et de leurs métastases. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cancer metastasis, the spread of cancer from the primary site to distant regions in the body, is the major cause of cancer mortality, accounting for almost 90% of cancer related deaths. During metastasis, cancer cells from the primary tumor initially probe the surrounding fibrous tumor microenvironment (TME) prior to detaching and subsequently migrating towards the blood vessels for further dissemination. It has widely been acknowledged that the biophysical cues provided by the fibrous TME greatly facilitate the metastatic cascade. Consequently, there has been a tremendous wealth of work devoted towards elucidating different modes of cancer cell migration. However, our knowledge of how cancer cells at the primary tumor site initially sense their fibrous surroundings prior to making the decision to detach and migrate remains in infancy. In part, this is due to the lack of a fibrous in vitro platform that allows for precise, repeatable manipulation of fiber characteristics. In this study, we use the non-electrospinning, Spinneret based Tunable Engineered Parameters (STEP) technique to manufacture suspended nanofiber networks with exquisite control on fiber dimensions and network architecture and use these networks to investigate how single cancer cells biophysically sense fibers mimicking in vivo dimensions. Using high spatiotemporal resolution imaging (63x magnification/1-second imaging interval), we report for the first time, that cancer cells sense individual fibers by coiling (i.e. wrapping around the fiber axis) at the tip of a cell protrusion. We find that coiling dynamics are mediated by both the fiber curvature and the metastatic capacity of the cancer cells with less aggressive cancer cells showing diminished coiling. Based on these results, we explore the possibility of using coiling in conjunction with other key biophysical metrics such as cell migration dynamics and forces exerted in the development of a genetic marker independent, biophysical predictive tool for disease progression. Finally, we identify the membrane curvature sensing Insulin Receptor tyrosine kinase Substrate protein of 53 kDa (IRSp53) as a key regulator of protrusive activity with IRSp53 knockout (KO) cells exhibiting significantly slower protrusion dynamics and diminished coil width compared to their wild-type (WT) counterparts. We demonstrate that the hindered protrusive activity ultimately translates to impaired contractility, alteration in the nucleus shape and slower migration dynamics, thus highlighting the unique role of IRSp53 as a signal transducer – linking the protrusive activity at the cell membrane to changes in cytoskeletal contractility. Overall, these findings offer novel perspectives to our understanding of how cancer cells biophysically sense their fibrous surroundings. The results from this study could ultimately pave the way for elucidating the precise fiber configurations that either facilitate or hinder cancer cell invasion, allowing for the development of new therapeutics in the long term that could inhibit the metastatic cascade at a relatively nascent stage and yield a more promising prognosis in the perennial fight against cancer. / Doctor of Philosophy / Cancer is a leading cause of death worldwide. Almost ninety percent of cancer related deaths arise from the spreading of cancer cells from the primary tumor site to secondary sites in the body – a processed termed as metastasis. The environment surrounding a tumor (tumor microenvironment) is highly fibrous in nature and can assist in the metastatic process by providing biophysical cues to the cells at the tumor boundary. These cells sense the presence of the surrounding fibers by extending "arms" termed as protrusions, and then eventually detach from the primary tumor and start migrating through the fibrous microenvironment. While numerous studies have investigated the various modes of cell migration in fibrous environments, there is very little information regarding how cancer cells use protrusions to initially sense the fibers prior to detaching. In this study, we used the Spinneret based Tunable Engineered Parameters (STEP) technique to manufacture suspended nanofiber networks with robust control on fiber diameter and network architecture and use these networks to systematically investigate how single cancer cells biophysically sense fibers that mimic in vivo dimensions. We discovered that cancer cells sense individual fibers by "wrapping-around" the axis of the fiber at the tip of the protrusion – a phenomenon we refer to as coiling. We found both the fiber diameter as well as the invasive capacity of cells can influence the coiling mechanics. Based on these results, we explored the use of coiling in conjunction with other key biophysical metrics such as the cell migration speed and how much force a cell can exert to develop a biophysical predictor for cancer cell aggressiveness. Finally, given that cells sense the fiber curvature by coiling, we explored the role of a key curvature sensing protein Insulin Receptor tyrosine kinase Substrate protein of 53 kDa (IRSp53) in mediating coiling activity and found that knocking out (KO) IRSp53 results in reduced coiling and slower protrusions compared to wild-type (WT) cells. Furthermore, IRSp53 KO cells showed impaired contractility which led to an alteration in the nucleus shape and slower migration dynamics thus highlighting the role of IRSp53 in linking changes at the cell membrane to the underlying cell cytoskeleton. The results from this study could ultimately help us understand what type of fiber conditions around a primary tumor would either help or delay the emergence of the tumor boundary cells and thus allow for the development of therapeutics that could significantly slow down the metastatic process at a relatively early stage.

Dans un contexte où la forte prévalence du cancer du sein chez les femmes demeure depuis plusieurs années un enjeu de société majeur, les nouvelles stratégies visant à réduire la mortalité associée à cette maladie sont le sujet de nombreuses recherches scientifiques. Les facteurs d’ADP-ribosylation sont des petites protéines G monomériques importantes pour la réorganisation du cytosquelette d’actine, le remodelage des lipides membranaires et la formation de vésicules. Notre laboratoire a précédemment montré qu’ARF1 est surexprimée dans les cellules hautement invasives du cancer du sein et contribue à leur phénotype migratoire accru. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons défini le rôle de cette GTPase dans la migration de telles lignées cellulaires. Pour ce faire, nous avons étudié le rôle d’ARF1 dans l’activation de Rac1, un membre de la famille des GTPases Rho connu pour son implication dans la formation de lamellipodes ainsi que dans la migration cellulaire. Globalement, nous avons déterminé que l’activation d’ARF1 permet l’activation subséquente de Rac1 ainsi que de la voie de signalisation nécessaire au processus de migration. Par une approche d’interférence à l’ARN dans les cellules MDA-MB-231, nous avons d’abord montré la contribution essentielle de Rac1 la migration dépendante d’ARF1. Puis, de façon à établir le mécanisme derrière cette régulation, nous avons montré que l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 altère l’activation de Rac1 dépendante de l’EGF. Nous avons ensuite examiné les conséquences d’une telle inhibition sur les partenaires d’interaction de Rac1. Nous avons découvert qu’ARF1 et Rac1 forment un complexe constitutif, puis qu’ARF1est nécessaire à l’association de Rac1 à IRSp53, une protéine importante dans la formation de lamellipodes. La translocation dépendante de l’EGF du complexe Rac1/IRSp53 à la membrane plasmique est également sous le contrôle d’ARF1. En conclusion, cette étude fournit un nouveau mécanisme par lequel ARF1 régule la migration cellulaire et identifie cette GTPase en tant que cible pharmacologique prometteuse pour freiner le développement des métastases chez les patients atteints du cancer du sein. / ADP-ribosylation factors (ARFs) are monomeric G proteins important for actin cytoskeleton reorganization, lipid membrane remodeling, and vesicule formation. Our laboratory has previously shown that ARF1 is overexpressed in highly invasive breast cancer cells and contribute to their enhanced proliferation and migration phenotype. In this study, we propose to define the role of ARF1 on the activation of Rac1, an important member of the Rho family of GTPases implicated in the formation of lamellipodia and in the migration process. Globally, we evaluated whether ARF1 activation could affect Rac1 activation and the signaling pathway necessary for cell migration. Using an RNAi approach in MDA-MB-231 breast cancer cells, we first determined the essential contribution of Rac1 in ARF1-dependant migration. Mechanistically, endogenous inhibition of ARF1 expression altered EGF-dependent Rac1 activation. We next investigated the consequences of such effect on Rac1 interaction partners. We showed that ARF1 and Rac1 are constitutively complexed but that ARF1 is necessary for EGF-dependent Rac1 association with IRSp53, an essential protein for lamellipodia formation. When unable to interact, Rac1/IRSp53 complex translocation to plasma membrane was considerably inhibited. In conclusion, this study provides a new mechanism by which ARF1 regulates cell migration and identifies this GTPase as a promising pharmacological target to reduce metastasis formation in breast cancer patients.

Dans un contexte où la forte prévalence du cancer du sein chez les femmes demeure depuis plusieurs années un enjeu de société majeur, les nouvelles stratégies visant à réduire la mortalité associée à cette maladie sont le sujet de nombreuses recherches scientifiques. Les facteurs d’ADP-ribosylation sont des petites protéines G monomériques importantes pour la réorganisation du cytosquelette d’actine, le remodelage des lipides membranaires et la formation de vésicules. Notre laboratoire a précédemment montré qu’ARF1 est surexprimée dans les cellules hautement invasives du cancer du sein et contribue à leur phénotype migratoire accru. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons défini le rôle de cette GTPase dans la migration de telles lignées cellulaires. Pour ce faire, nous avons étudié le rôle d’ARF1 dans l’activation de Rac1, un membre de la famille des GTPases Rho connu pour son implication dans la formation de lamellipodes ainsi que dans la migration cellulaire. Globalement, nous avons déterminé que l’activation d’ARF1 permet l’activation subséquente de Rac1 ainsi que de la voie de signalisation nécessaire au processus de migration. Par une approche d’interférence à l’ARN dans les cellules MDA-MB-231, nous avons d’abord montré la contribution essentielle de Rac1 la migration dépendante d’ARF1. Puis, de façon à établir le mécanisme derrière cette régulation, nous avons montré que l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 altère l’activation de Rac1 dépendante de l’EGF. Nous avons ensuite examiné les conséquences d’une telle inhibition sur les partenaires d’interaction de Rac1. Nous avons découvert qu’ARF1 et Rac1 forment un complexe constitutif, puis qu’ARF1est nécessaire à l’association de Rac1 à IRSp53, une protéine importante dans la formation de lamellipodes. La translocation dépendante de l’EGF du complexe Rac1/IRSp53 à la membrane plasmique est également sous le contrôle d’ARF1. En conclusion, cette étude fournit un nouveau mécanisme par lequel ARF1 régule la migration cellulaire et identifie cette GTPase en tant que cible pharmacologique prometteuse pour freiner le développement des métastases chez les patients atteints du cancer du sein. / ADP-ribosylation factors (ARFs) are monomeric G proteins important for actin cytoskeleton reorganization, lipid membrane remodeling, and vesicule formation. Our laboratory has previously shown that ARF1 is overexpressed in highly invasive breast cancer cells and contribute to their enhanced proliferation and migration phenotype. In this study, we propose to define the role of ARF1 on the activation of Rac1, an important member of the Rho family of GTPases implicated in the formation of lamellipodia and in the migration process. Globally, we evaluated whether ARF1 activation could affect Rac1 activation and the signaling pathway necessary for cell migration. Using an RNAi approach in MDA-MB-231 breast cancer cells, we first determined the essential contribution of Rac1 in ARF1-dependant migration. Mechanistically, endogenous inhibition of ARF1 expression altered EGF-dependent Rac1 activation. We next investigated the consequences of such effect on Rac1 interaction partners. We showed that ARF1 and Rac1 are constitutively complexed but that ARF1 is necessary for EGF-dependent Rac1 association with IRSp53, an essential protein for lamellipodia formation. When unable to interact, Rac1/IRSp53 complex translocation to plasma membrane was considerably inhibited. In conclusion, this study provides a new mechanism by which ARF1 regulates cell migration and identifies this GTPase as a promising pharmacological target to reduce metastasis formation in breast cancer patients.