Le développement du cortex cérébral se déroule selon des étapes bien définies qui sont essentielles à la formation d’un cerveau fonctionnel. La perturbation de l’une ou plusieurs de ces étapes peut conduire à des malformations neuro-développementales, responsables de différents troubles cognitifs, d’épilepsies ou encore de déficience intellectuelle. De nombreuses mutations dans des gènes codant pour les tubulines ou bien les kinésines, sont retrouvées chez des individus présentant diverses anomalies neuro-développementales. Bien que les kinésines soient impliquées dans le développement cortical, les mécanismes fonctionnels par lesquels elles conduisent aux malformations demeurent encore méconnus. Mon travail de thèse identifie la kinésine Kif21b, jusqu’alors peu connue, comme étant essentielle au développement cortical. Nous montrons que Kif21b régule la migration neuronale dans le cortex et identifions quatre variants chez des individus présentant des malformations neuro-développementales. Nous montrons que l’expression ectopique des variants chez la souris et le poisson zèbre récapitulent les phénotypes observés chez ces patients. / The development of the cerebral cortex is a highly regulated process that is crucial for the establishment of functional cortical networks. Disruption of one or several of these steps can lead severe neurodevelopmental disorders that are associated with intellectual disabilities, epilepsies and cognitive impairment. Over the past few years, several genetic mutations in genes encoding either tubulin or microtubule-associated motors such as kinesins, have been found in individuals with neurodevelopmental disorders. Although kinesins have been found to be essential for a proper cortical development, the exact functions of kinesins in these processes are still poorly understood. My work clearly identified Kif21b, a poorly-known kinesin, as a novel key regulator of cortical development both in mouse and human. We show that Kif21b regulates both radial and tangential migration of cortical neurons, and identify four KIF21B variants in individuals presenting neurodevelopmental disorders. We show that ectopic expression of variants recapitulate phenotypes both in mice and zebrafish.

Le transport intracellulaire de cargos est un processus critique au sein des cellules eucaryotes, et notamment au niveau des neurones, pour contrôler différentes fonctions dont la maturation et la transmission synaptique. La kinésine-1 est un moteur moléculaire capable de transporter différents types de cargos, comme des organelles, des vésicules ou des assemblages macromoléculaires le long des microtubules. La kinésine-1 est un hétérotétramère constitué d’un homodimère de chaînes lourdes (KHC) associé à deux chaînes légères (KLC) ; les deux chaînes, KHC et KLC étant capables de recruter des cargos. L’un des premiers cargos de la kinésine-1 à avoir été identifiés sont les protéines JIP3/4 (JNK-Interacting Protein 3/4) ; elles jouent aussi un rôle de protéines adaptatrices pour le transport d’autres cargos de la kinésine-1. La kinésine-1 recrute les protéines JIP3/4 de deux façons distinctes et indépendantes (i) via KHC et (ii) via KLC. Le recrutement de JIP3/4 par KHC et KLC est capable, via des mécanismes moléculaires distincts, d’activer la motilité de la kinésine-1 et donc de contrôler le transport intracellulaire dans lequel elle est impliquée et les fonctions associées au sein des neurones.Au cours de mon travail de thèse, j’ai contribué à caractérisé par des approches bio-informatiques, biochimiques/biophysiques et structurales, les deux modes de recrutement des protéines JIP3/4 par la kinésine-1 : (i) via KHC et (ii) via KLC. Ce travail a permis d’apporter des nouveaux éléments pour comprendre le mode de recrutement de ces protéines cargos/adaptatrices par la kinésine-1, mais aussi de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de son activation par les protéines JIP3/4. / The intracellular transport of cargos is a crucial process on eukaryotic cells, and notably in neurons, in order to regulate different functions as cell’s maturation and synaptic transmission. The Kinesin-1 is a molecular motor capable of transporting different types of cargos as organelles, vesicles and macromolecular assemblies along the microtubules. It is a heterotetramer composed by a homodimer of heavy chains (KHC) bound to two light chains (KLC), where both KHC and KLC are capable of cargos recruitment. One of the first identified cargos of Kinesin-1 is JIP3/4 (JNK-Interacting Protein 3/4), which are also adaptor proteins, intermediating the transport of other cargos. Kinesin-1 recruits JIP3/4 by two different and independent modes, (i) via KHC and (ii) via KLC. Therefore, JIP3/4 recruitment by KHC and KLC activates the motility of Kinesin-1, by distinct mechanisms, allowing the intracellular transport of cargos and the associated functions in neurons. During my PhD, I contributed to the characterization of the dual binding mode of Kinesin-1 and JIP3/4 by bioinformatical, biochemical/biophysical and structural approaches. This work allowed a better understanding of the cargos’ recruitment by Kinesin-1, as well as the molecular mechanisms of Kinesin-1 activation by JIP3/4.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative héréditaire autosomique dominante. Elle résulte d’une expansion anormale de glutamines (polyQ) dans la partie N-terminale de la protéine huntingtine (HTT ; codé par HTT). La MH est caractérisée par la dysfonction et la mort de cellules neuronales dans le cerveau, entraînant l’apparition de symptômes cognitifs, psychiatriques et moteurs, dévastateurs chez les patients. De nombreuses études sur des modèles animaux et cellulaires montrent que l’expansion polyQ dans la protéine mutante conduit à un gain de nouvelles fonctions toxiques, ainsi qu’à la perte de fonctions neuroprotectives de la protéine sauvage. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à la description et à la validation fonctionnelle d’un nouvel outil pour étudier la HTT : pARIS-htt. pARIS-htt est un gène synthétique construit pour faciliter le clonage et le marquage de la protéine HTT totale. En utilisant différentes approches cellulaires, nous avons montré que pARIS-htt peut remplacer le rôle de la HTT endogène dans le transport de vésicules du Golgi ainsi que du brain derived neurotrophic factor (BDNF). La version mutante de pARIS-htt ne peut pas restaurer cette fonction. Parallèlement, nous avons généré deux variants de pARIS-htt avec soit une délétion dans la région d’interaction de la HTT avec la dynéine, moteur moléculaire se dirigeant vers l'extrémité négative des microtubules, soit avec la huntingtin associated protein 1 (HAP1), l’un de ses interacteurs. Dans les expériences de remplacement du gène, aucun des deux mutants n’a restauré le transport vésiculaire.Un autre aspect de ma thèse a été d’étudier le rôle de la HTT au cours de la mitose. Nous avons mis en évidence l’importance de la HTT dans le contrôle de l’orientation du fuseau. Cette fonction est perdue lorque la HTT est mutée, mais restaurée lorsque celle-ci est phosphorylée par Akt à la sérine 421. Le contrôle de l’orientation du fuseau est particulièrement important durant la neurogénèse puisque cette orientation ainsi que le mode de division sont impliqués dans la détermination des devenirs cellulaires. Cette fonction de la HTT est conservée chez la D. melanogaster.Cette étude a donc permis de mieux comprendre les fonctions de la HTT, et de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la MH. / Huntington disease (HD) is an autosomal-dominant neurodegenerative disorder caused by the pathogenic expansion of the poly-glutamine (polyQ) N-terminal stretch in the huntingtin protein (HTT; encoded by HTT). HD is characterized by the dysfunction and death of neurons in the brain, leading to devastating cognitive, psychiatric, and motor symptoms in patients. Studies in multiple cell and animal model systems support the notion that polyQ expansion in mutant HTT leads to the gain of new toxic functions and loss of the neuroprotective functions of the wild-type HTT. During my thesis, I focused on the description and functional validation of a new tool to study HTT: pARIS-htt. pARIS-htt is a synthetic gene built to facilitate cloning and tagging of full-length HTT. Using different cellular approaches, we showed that pARIS-htt can replace endogenous HTT in the transport of Golgi and brain derived neurotrophic factor (BDNF) containing vesicles. pARIS-htt mutant version could not restore vesicular transport when endogenous HTT was knocked-down. Moreover, we generated pARIS-htt deletion mutants for HTT interaction domain with dynein, a minus-end directed motor protein, and huntingtin associated protein 1 (HAP1), a HTT interactor. Both deletion mutants failed to restore vesicular transport in gene replacement assays. Another aspect of my thesis was the study of HTT during mitosis. We showed that HTT monitors spindle orientation though its interaction with diverse proteins involved in cell division. This function is lost when HTT is mutated and can be reverted by Akt phosphorylation at serine 421. The control of spindle orientation is particularly important during neurogenesis since spindle orientation and the mode of division of apical progenitors are implicated in the determination of cell fate. This function of HTT is conserved in D. melanogaster. This study contributes to the understanding of HTT functions and suggests new therapeutical approaches to treat HD.

Comment les cellules eucaryotes remodèlent constamment leur espace intracellulaire est l'un des phénomènes auto-organisés les plus étonnants dans la nature. Pour ce faire, ces cellules exploitent la diffusion brownienne des macromolécules et cargos sur de petites échelles d’espace combinée avec des phénomènes de transport actif le long des filaments du cytosquelette entraînées par des protéines motrices.Malgré l'effort important de la communauté physico-mathématique sur ces problématiques biologiques, il est encore très difficile de rationaliser le mouvement des organites (et en général de la matière) à l'intérieur de la cellule.Dans cette thèse, nous abordons ce problème en généralisant l'analyse théorique d'un modèle physico-mathématique paradigmatique du transport hors-équilibre de protéines motrices (appelé TASEP) afin d'étudier l'impact d'un volume fini et d’une concentration finie de moteurs sur leur distribution dans le cytosol et le long du cytosquelette. En particulier, cela nécessite d'inventer une nouvelle méthodologie afin de résoudre ce problème où le mouvement de diffusion des moteurs dans le cytoplasme est couplé avec le transport collectif et dirigé de ces mêmes moteurs le long d'un ou plusieurs filaments du cytosquelette. De nouveaux phénomènes et régimes intéressants apparaissent par rapport aux études récentes apparus dans la littérature. En outre, la méthodologie développée ici, permet une analyse rapide et efficace des comportements de ces systèmes complexes pour lesquels la simulation numérique peut être longue en temps.La thèse est organisée comme suit. Le premier chapitre est consacré à l’introduction au sujet et à la définition des notions biologiques et physiques nécessaires pour le travail de recherche présenté ensuite.Le deuxième chapitre aborde une solution approchée pour le cas de transport réalisé sur un seul filament cytosquelettique plongé dans le cytosol, où le volume fini et la concentration finie de moteurs modifient qualitativement et quantitativement les diagrammes de phase décrivant la densité moyenne et le flux de moteurs le long du filament. Nous discutons ensuite les conditions physiques pour lesquels cette solution approchée n’est plus valable. Pour surmonter cette difficulté, dans le chapitre trois, nous décrivons une nouvelle méthode, inspirée par la « méthode des images » pour calculer les solutions de l'équation de Poisson en électrostatique, qui permet pour la première fois (à notre connaissance) de calculer analytiquement la distribution de moteurs qui diffusent en volume, c.à.d. le cytosol, sans aucune hypothèse d’approximation. En particulier, le procédé peut être facilement généralisé à tout type de distribution ou réseau de filaments et à plusieurs mécanismes de transport collectif le long des filaments. Cela permet d’explorer ainsi des régimes et des phénomènes nouveaux qui peuvent difficilement être étudiées par des simulations stochastiques en raison de la complexité des processus et de l'extension spatiale du système. Le chapitre quatre se concentre sur cette méthodologie innovante de calcul. Le chapitre cinq discute d’une variété de problèmes ouverts ainsi que d’ouvertures liées au thème étudié. Nous terminons cette thèse avec des conclusions générales se concentrant sur les implications physiques, biophysiques et biologiques de l’étude effectué.Les nombreux résultats obtenus ont un impact sur notre compréhension générale des processus de transport complexe, collectif et non-linéaire dans des phénomènes et situations où les moteurs peuvent se déplacer parmi des espaces avec des différentes dimensions physiques, avec des implications intéressantes pour la biologie, la mécanique statistique des systèmes hors-équilibre thermodynamique, de la théorie physico-mathématique du trafic et de la logistique. / How cells constantly remodel their intracellular space is one of the most astonishing self-organized phenomena in Nature. In order to do that, eukaryotic cells exploit the Brownian diffusion of macromolecules or organelles on small scales combined with active transport phenomena along cytoskeletal filament driven by motor proteins. Despite the important effort in the physico-mathematical community working on these biological issues, it is still very difficult to rationalize the motion of organelles (and in general of matter) inside the cell. In this thesis, we approach this problem by generalizing the theoretical analysis of a paradigmatic physico-mathematical model of non-equilibrium transport of motor proteins (called TASEP) to study the impact that a finite volume and a finite concentration of transporters have on their distribution in the cytosol and along the cytoskeleton. In particular, this requires inventing a new methodology in order to solve the problem where diffusive motion or transporters in the cytoplasm is coupled with directed collective transport along one or many cytoskeletal filaments. New interesting phenomena and regimes appear with respect to recent studies in literature. Moreover, the methodology developed so far, allow a fast and efficient investigation of complex systems behaviors for which numerical simulation can result very time consuming.The thesis is organized as follows. The first chapter is dedicated to an introduction on the topic and to the definition of biological and physical notions necessary for the research work presented. The second chapter tackles an approximate solution for the case of directed transport on a single cytoskeletal filament embedded in the cytosol, where the finite volume and the finite concentration of particles modify qualitatively and quantitatively the phase diagrams describing the average density and flux of transporters along the filament. We then discuss the physical conditions for which this approximated solution is no more valid. In order to overcome this difficulty, in chapter three we describe a novel method, inspired by the “images-method” to compute solutions of the Poisson equation in electrostatics, which allows for the first time (at our knowledge) to compute analytically the distribution of transporters in volume, i.e. the cytosol, without any approximated assumption. Importantly, the method can be easily generalized to any kind distribution or network of filaments and to other mechanisms of collective transport along the filaments. This makes possible to explore stationary regimes and new phenomena that can be hardly studied by stochastic simulations due to the complexity of the processes and the spatial extension of the system. Chapter four focuses on the innovative methodology of computation. Chapter five discusses miscellanea of problems and openings related to the topic studied. We end this thesis with general conclusions focusing on physical, biophysical and biological implications.The various results obtained have an impact on our general understanding on complex, collective and non-linear transport processes in situations and phenomena where transporters can move in spaces with different physical dimensions with interesting implications for biology, non-equilibrium statistical mechanics and the physico-mathematical theory of traffic and logistics.

In biological cells, the long-range intracellular traffic is powered by molecular motors which transport various cargos along microtubule filaments. The microtubules possess an intrinsic direction, having a 'plus' and a 'minus' end. Some molecular motors such as cytoplasmic dynein walk to the minus end, while others such as conventional kinesin walk to the plus end. Cells typically have an isopolar microtubule network. This is most pronounced in neuronal axons or fungal hyphae. In these long and thin tubular protrusions, the microtubules are arranged parallel to the tube axis with the minus ends pointing to the cell body and the plus ends pointing to the tip. In such a tubular compartment, transport by only one motor type leads to 'motor traffic jams'. Kinesin-driven cargos accumulate at the tip, while dynein-driven cargos accumulate near the cell body. We identify the relevant length scales and characterize the jamming behaviour in these tube geometries by using both Monte Carlo simulations and analytical calculations. A possible solution to this jamming problem is to transport cargos with a team of plus and a team of minus motors simultaneously, so that they can travel bidirectionally, as observed in cells. The presumably simplest mechanism for such bidirectional transport is provided by a 'tug-of-war' between the two motor teams which is governed by mechanical motor interactions only. We develop a stochastic tug-of-war model and study it with numerical and analytical calculations. We find a surprisingly complex cooperative motility behaviour. We compare our results to the available experimental data, which we reproduce qualitatively and quantitatively. / In biologischen Zellen transportieren molekulare Motoren verschiedenste Frachtteilchen entlang von Mikrotubuli-Filamenten. Die Mikrotubuli-Filamente besitzen eine intrinsische Richtung: sie haben ein "Plus-" und ein "Minus-"Ende. Einige molekulare Motoren wie Dynein laufen zum Minus-Ende, während andere wie Kinesin zum Plus-Ende laufen. Zellen haben typischerweise ein isopolares Mikrotubuli-Netzwerk. Dies ist besonders ausgeprägt in neuronalen Axonen oder Pilz-Hyphen. In diesen langen röhrenförmigen Ausstülpungen liegen die Mikrotubuli parallel zur Achse mit dem Minus-Ende zum Zellkörper und dem Plus-Ende zur Zellspitze gerichtet. In einer solchen Röhre führt Transport durch nur einen Motor-Typ zu "Motor-Staus". Kinesin-getriebene Frachten akkumulieren an der Spitze, während Dynein-getriebene Frachten am Zellkörper akkumulieren. Wir identifizieren die relevanten Längenskalen und charakterisieren das Stauverhalten in diesen Röhrengeometrien mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischen Rechnungen. Eine mögliche Lösung für das Stauproblem ist der Transport mit einem Team von Plus- und einem Team von Minus-Motoren gleichzeitig, so dass die Fracht sich in beide Richtungen bewegen kann. Dies wird in Zellen tatsächlich beobachtet. Der einfachste Mechanismus für solchen bidirektionalen Transport ist ein "Tauziehen" zwischen den beiden Motor-Teams, das nur mit mechanischer Interaktion funktioniert. Wir entwickeln ein stochastisches Tauzieh-Modell, das wir mit numerischen und analytischen Rechnungen untersuchen. Es ergibt sich ein erstaunlich komplexes Motilitätsverhalten. Wir vergleichen unsere Resultate mit den vorhandenen experimentellen Daten, die wir qualitativ und quantitativ reproduzieren.

Cargo transport by molecular motors is ubiquitous in all eukaryotic cells and is typically driven cooperatively by several molecular motors, which may belong to one or several motor species like kinesin, dynein or myosin. These motor proteins transport cargos such as RNAs, protein complexes or organelles along filaments, from which they unbind after a finite run length. Understanding how these motors interact and how their movements are coordinated and regulated is a central and challenging problem in studies of intracellular transport. In this thesis, we describe a general theoretical framework for the analysis of such transport processes, which enables us to explain the behavior of intracellular cargos based on the transport properties of individual motors and their interactions. Motivated by recent in vitro experiments, we address two different modes of transport: unidirectional transport by two identical motors and cooperative transport by actively walking and passively diffusing motors. The case of cargo transport by two identical motors involves an elastic coupling between the motors that can reduce the motors’ velocity and/or the binding time to the filament. We show that this elastic coupling leads, in general, to four distinct transport regimes. In addition to a weak coupling regime, kinesin and dynein motors are found to exhibit a strong coupling and an enhanced unbinding regime, whereas myosin motors are predicted to attain a reduced velocity regime. All of these regimes, which we derive both by analytical calculations and by general time scale arguments, can be explored experimentally by varying the elastic coupling strength. In addition, using the time scale arguments, we explain why previous studies came to different conclusions about the effect and relevance of motor-motor interference. In this way, our theory provides a general and unifying framework for understanding the dynamical behavior of two elastically coupled molecular motors. The second mode of transport studied in this thesis is cargo transport by actively pulling and passively diffusing motors. Although these passive motors do not participate in active transport, they strongly enhance the overall cargo run length. When an active motor unbinds, the cargo is still tethered to the filament by the passive motors, giving the unbound motor the chance to rebind and continue its active walk. We develop a stochastic description for such cooperative behavior and explicitly derive the enhanced run length for a cargo transported by one actively pulling and one passively diffusing motor. We generalize our description to the case of several pulling and diffusing motors and find an exponential increase of the run length with the number of involved motors. / Lastentransport mittels Motorproteinen ist ein grundlegender Mechanismus aller eukaryotischen Zellen und wird üblicherweise von mehreren Motoren kooperativ durchgeführt, die zu einer oder zu verschiedenen Motorarten wie Kinesin, Dynein oder Myosin gehören. Diese Motoren befördern Lasten wie zum Beispiel RNAs, Proteinkomplexe oder Organellen entlang Filamenten, von denen sie nach einer endlichen zurückgelegten Strecke abbinden. Es ist ein zentrales und herausforderndes Problem zu verstehen, wie diese Motoren wechselwirken und wie ihre Bewegungen koordiniert und reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine allgemeine theoretische Herangehensweise zur Untersuchung solcher Transportprozesse beschrieben, die es uns ermöglicht, das Verhalten von intrazellularem Transport, ausgehend von den Transporteigenschaften einzelner Motoren und ihren Wechselwirkungen, zu verstehen. Wir befassen uns mit zwei Arten kooperativen Transports, die auch kürzlich in verschiedenen in vitro-Experimenten untersucht wurden: (i) gleichgerichteter Transport mit zwei identischen Motorproteinen und (ii) kooperativer Transport mit aktiv schreitenden und passiv diffundierenden Motoren. Beim Lastentransport mit zwei identischen Motoren sind die Motoren elastisch gekoppelt, was eine Verminderung ihrer Geschwindigkeit und/oder ihrer Bindezeit am Filament hervorrufen kann. Wir zeigen, dass solch eine elastische Kopplung im Allgemeinen zu vier verschiedenen Transportcharakteristiken führt. Zusätzlich zu einer schwachen Kopplung, können bei Kinesinen und Dyneinen eine starke Kopplung und ein verstärktes Abbinden auftreten, wohingegen bei Myosin Motoren eine verminderte Geschwindigkeit vorhergesagt wird. All diese Transportcharakteristiken, die wir mit Hilfe analytischer Rechnungen und Zeitskalenargumenten herleiten, können durch Änderung der elastischen Kopplung experimentell untersucht werden. Zusätzlich erklären wir anhand der Zeitskalenargumente, warum frühere Untersuchungen zu unterschiedlichen Erkenntnissen über die Auswirkung und die Wichtigkeit der gegenseitigen Beeinflussung der Motoren gelangt sind. Auf diese Art und Weise liefert unsere Theorie eine allgemeine und vereinheitlichende Beschreibung des dynamischen Verhaltens von zwei elastisch gekoppelten Motorproteinen. Die zweite Art von Transport, die in dieser Arbeit untersucht wird ist der Lastentransport durch aktiv ziehende und passiv diffundierende Motoren. Obwohl die passiven Motoren nicht zum aktiven Transport beitragen, verlängern sie stark die zurückgelegte Strecke auf dem Filament. Denn wenn ein aktiver Motor abbindet, wird das Lastteilchen immer noch am Filament durch den passiven Motor festgehalten, was dem abgebundenen Motor die Möglichkeit gibt, wieder an das Filament anzubinden und den aktiven Transport fortzusetzen. Für dieses kooperative Verhalten entwickeln wir eine stochastische Beschreibung und leiten explizit die verlängerte Transportstrecke für einen aktiv ziehenden und einen passiv diffundierenden Motor her. Wir verallgemeinern unsere Beschreibung für den Fall von mehreren ziehenden und diffundierenden Motoren und finden ein exponentielles Anwachsen der zurückgelegten Strecke in Abhängigkeit von der Anzahl der beteiligten Motoren.

Nous étudions deux phénomènes de transport actif dans la cellule. Cette activité est induite par des moteurs moléculaires. Leur fonctionnement général est compris, mais leurs interactions et fonctions spécifiques font émerger de nouveaux comportements.En première partie nous étudions l'extraction de tubes membranaires par la myosine 1b sur un faisceau d'actine. Ce moteur est non processif, renforcé par la force. Il est impliqué dans une voie de transport membranaire au niveau de l'appareil de Golgi. Nous modélisons ce phénomène. Nous montrons que le renforcement par la force induit l'apparition d'un régime d'extraction par fluctuation géante, et abaisse le nombre de moteurs requis pour l'extraction. Les tubes extraits par des moteurs non processifs ne présentent pas de régime oscillatoire. La croissance du tube peut s'accompagner d'une déplétion avec des moteurs non processifs. Nos prédictions sont en bon accord avec les observations expérimentales.En deuxième partie, nous étudions l'écoulement cytoplasmique dans l'embryon de C.elegans. Sa fonction supposée est le mélange du cytoplasme. Son orientation se renverse aléatoirement. Son mouvement est supporté par des microtubules et des kinésines entrainant le reticulum endoplasmique au niveau cortical. Nous modélisons ce phénomène et montrons que la transition vers l'écoulement est une brisure spontanée de symétrie. Nos prédictions sont en bon accord avec les observations expérimentales. Le point de fonctionnement du système optimise les fluctuations, ce pourrait être le mécanisme du mélange. Nos prédictions sont en bon accord avec les observations expérimentales. / We study two intracellular transport phenomena. They are powered by molecular motors. Motors general mechanisms are understood, but their interactions leads to emerging properties, and some of them have specialised functions.In the first part, we study the extraction of membrane tubes by myosin 1b supported by actin bundles. Myosin 1b is a non processive motor with catch bond property. It is implied in membrane trafficking at the Golgi apparatus level. We model this phenomenon in the frame of a collaboration with experimentalists. We show that catch bond effect induces a regime where tube extraction requires a giant length fluctuation, and the minimal number of motors allowing extraction is decreased. Tubes extracted by non processive motors do not show oscillatory regime. During tube growth motors can deplete with non processive motors. Our predictions are in good agreement with experimental observations.In the second part we study in collaboration with experimentalists the cytoplasmic streaming in C.elegans. Its function is supposed to be the mixing the cytoplasm. Its orientation reverses stochastically. Its movement is supported by microtubules and kinesins, that drive the endoplasmic reticulum at the cortical level. We model this phenomenon and show that the transition toward streaming is a spontaneous spatial symetry breaking. Our predictions are in good agreement with the experimental observations. The parameters values of the system optimize flow fluctuations, this could be the mechanism driving the mixing. Our predictions are in good agreement with experimental observations.

N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are a class of ionotropic glutamate receptors, involved in excitatory synaptic transmission, synaptic plasticity and excitotoxicity. They form heterotetrameric complexes composed of GluN1, GluN2A-D and/or GluN3A-B subunits that are activated by glutamate and glycine. Previous reports showed that different subunits of NMDA receptors, especially the GluN2 subunits, confer different functional and pharmacological properties on the receptor complexes. However, the subunit-dependent differences in the regulation of intracellular processing and transport of NMDA receptor subtypes has not been clearly elucidated. The aim of this work was to clarify the mechanisms of regulation of the NMDA receptor transport. In our experiments we performed immunocytochemistry of receptors on heterologous COS-7 cells and cultured cerebellar granule cells (CGC), both expressing recombinant NMDA receptors. The results of my work show that the transport of NMDA receptors is regulated by presence of GluN2A and GluN2B subunits. Our results further showed that transport of the GluN1/GluN2C receptors is regulated by three specific areas of the GluN2C subunit: i) the A2 segment within the amino- terminal domain, ii.) the M3 domain, and iii.) the proximal part of the C-terminus containing the...

Hook-Proteine spielen eine wichtige Rolle im intrazellulären Transport. Sie binden n-terminal Mikrotubuli, haben eine coiled-coil-Domäne und binden c-terminal Organellen. Da aus humanen Hirnschnitten eine Kolokalisation mit den bei Alzheimerscher Erkrankung auftretenden neurofibrillären Tangles bekannt war, erscheint eine weitere Untersuchung der Expression und Lokalisation von Hook-Proteinen im zentralen Nervensystem interessant. Hierzu wurde die Expression der humanen Hook-Proteine mittels real-time RT-PCR quantifiziert und die Lokalisation der Hook-Proteine in verschiedenen transgenen Mausmodellen der Tauopathie mittels Immunhistochemie dargestellt. Außerdem wurde die cDNA der Hook-Proteine mittels PCR auf alternatives Spleißen untersucht.

Lipid structures, such as liposomes or micelles, are of high interest as an approach to support the transport and delivery of active agents as a drug delivery system. However, there are many open questions regarding their uptake and impact on cellular metabolism. In this study, lipid structures were assembled as a supported lipid bilayer on top of biopolymer-coated microcarriers based on the Layer-by-Layer assembly strategy. The functionalized microcarriers were then applied to various human and animal cell lines in addition to primary human macrophages (MΦ). Here, their influence on cellular metabolism and their intracellular localization were detected by extracellular flux analysis and immunofluorescence analysis, respectively. The impact of microcarriers on metabolic parameters was in most cell types rather low. However, lipid bilayer-supported microcarriers induced a decrease in oxygen consumption rate (OCR, indicative for mitochondrial respiration) and extracellular acidification rate (ECAR, indicative for glycolysis) in Vero cells. Additionally, in Vero cells lipid bilayer microcarriers showed a more pronounced association with microtubule filaments than polymer-coated microcarrier. Furthermore, they localized to a perinuclear region and induced nuclei with some deformations at a higher rate than unfunctionalized carriers. This association was reduced through the application of the microtubule polymerization inhibitor nocodazole. Thus, the effect of respective lipid structures as a drug delivery system on cells has to be considered in the context of the respective target cell, but in general can be regarded as rather low.