La nécessité de délivrer des médicaments directement dans les cellules est grandissante avec le développement des thérapies géniques. Les peptides pénétrants (Cell Penetrating Peptides : CPP) représentent une possibilité pour administrer ces médicaments dans les cellules sans effet délétère sur la membrane. Ce sont des peptides d’une dizaine d’acides aminés, généralement cationiques. Ils sont capables de traverser la membrane cellulaire, et conservent cette propriété lorsqu’une cargaison leur est attachée. Cependant, leurs mécanismes d’entrée ne sont toujours pas tous connus. Nous avons caractérisé quelques aspects des mécanismes permettant aux CPP de traverser directement la membrane plasmique à l’aide de trois techniques biophysiques. i) Nous avons ainsi pu mettre en évidence le rôle des sulfates d’héparane comme partenaire d’adhésion forte du CPP pénétratine, à l’aide d’un outil de mesure de force : le Biomembrane Force Probe. ii) Nous avons montré la possibilité pour la pénétratine de franchir la bicouche lipidique (sans mécanisme cellulaire actif) si celle-ci est suffisamment riche en lipides chargés négativement. Ce passage a été étudié sur bicouches modèles, formées à l’interface entre gouttelettes obtenues par émulsion inverse dans de l’huile en présence de lipides. iii) Pour visualiser la translocation de CPP à l’échelle de la molécule unique nous avons développé un montage original de microscopie à onde évanescente sur bicouche suspendue. / Gene therapy relies on an efficient and specific delivery of drugs into targeted cells. For this purpose, the use of carriers that will help the drugs to cross the membrane, without introducing deleterious effect due to the membrane disruption, are promising. A family of such carriers is known as Cell Penetrating Peptides (CPPs). These peptides are short, about ten amino acids, and often cationic. They are able to translocate through the membrane with different cargos and deliver them into the cytosol. However the mechanisms are still, to a great extent, unknown. We used three biophysical techniques to gain insights into the mechanisms leading to the translocation of a CPP. i) We found the heparan sulfates to be the strongest partner of the CPP penetratin at the cell surface. This adhesion has been pointed out using the Biomembrane Force Probe, a force measuring tool. ii) We evidenced the translocation of penetratin through the lipid bilayer (without any cell mechanism) as long as it contains enough negatively charged lipids. This has been carried out using model bilayers formed at the interface between droplets generated by an inverted emulsion: water in an oil and lipid mixture. iii) To view the translocation of CPPs at the single molecule level we developed a total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) on a suspended bilayer.

La membrane plasmique de la cellule est composée de lipides et interagit notamment avec le squelette de la cellule (le cytosquelette), par l'intermédiaire de protéines d'ancrages et de lipides clefs qui jouent un rôle spécifique dans certains types d'interactions. Parmi les protéines intervenant dans l'ancrage direct de la membrane plasmique au cytosquelette, des protéines de la famille des ERM (Ezrine, Radixine, Moésine) peuvent interagir spécifiquement avec un lipide, le phosphatidylinositol (4,5) biphosphate (PIP2), d'une part et avec l'actine du cytosquelette d'autre part. Dans le but de comprendre les interactions entre membrane plasmique et cytosquelette, nous avons réalisé des expériences in vitro sur des systèmes comportant un nombre minimal de constituants : des vésicules géantes (GUV) contenant du PIP2, de l'ezrine recombinante et de l'actine purifiée. Nous avons mis en évidence que la liaison au PIP2 induit des changements conformationnels de l'ezrine. L'ezrine est alors capable d'interagir avec les filaments d'actine. Nous avons caractérisé quantitativement l'incorporation de PIP2 dans la membrane de vésicule géantes, et montré que l'interaction de l'ezrine avec les vésicule géante contenant du PIP2, induit un partitionnement du lipide dans la bicouche lipidique et conduit à la formation d'agrégats de PIP2 et d'ezrine sur la membrane. La connaissance des effets de l'ezrine sur les membranes contenant du PIP2 et la connaissance des différents mécanismes se produisant lors des interactions permettra de définir plus précisément le rôle de l'ezrine in cellulo.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de " micro-patterning " qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes.

AtMAP65-4 est une protéine associée aux microtubules appartenant à la famille des AtMAP65s qui compte 9 membres identifiés chez Arabidopsis thaliana. Ces protéines appartiennent à une famille conservée au cours de l'évolution, les MAP65s. Ainsi, des protéines homologues sont présentes chez de mammifères (PRC1), chez la levure (Ase1p) ou chez la drosophile (FEO). Jusqu'ici l'étude des propriétés moléculaires et fonctionnelles des AtMAP65s s'est portée essentiellement sur l'étude d'AtMAP65-1 et AtMAP65-5. La principale caractéristique de ces protéines est d'induire la formation de faisceaux de microtubules in vitro. La distribution des AtMAP65s in vivo est très régulée, celle-ci sont localisées avec des réseaux des microtubules bien définis. Ainsi, leur rôle supposé est de mettre en place ces réseaux puis de participer à leur maintient. La localisation d'AtMAP65-4 apparait comme très intéressante car elle est strictement associée avec les microtubules du fuseau mitotique. D'après les résultats obtenus au cours de ce travail, nous avons suggéré que la fonction in vivo d'AtMAP65-4 est de participer à la mise en place et au maintient des microtubules en faisceaux dans les fibres kinétochoriennes lors de la division cellulaire. Lors d'une étude in vitro nous avons montré qu'AtMAP65-4 modifie les paramètres dynamiques de polymérisation des microtubules. Outre sa capacité à former des faisceaux, AtMAP65-4 permet une croissance régulière des microtubules au sein des faisceaux qu'elle induit. Le mécanisme d'action de la MAP à l'échelle moléculaire a été analysé à travers une étude bioinformatique où nous avons modélisé l'activité d'AtMAP65-4. Les données obtenues montrent qu'AtMAP65-4 peut bloquer les évènements de dépolymérisation des microtubules. Par ailleurs, l'activité d'AtMAP65-4 pourrait être régulée in vivo par des modifications post traductionnelles. En effet, nous avons montré et étudié l'effet de la phosphorylation d'AtMAP65-4 par les kinases Auroras. Cette phosphorylation pourrait être impliquée dans la régulation de l'activité d'AtMAP65-4 au cours de la mitose.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de « micro-patterning » qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes. / The microtubule (MT) cytoskeleton is essential for many cell processes, such as the intracellular trafficking, the cell division, and the cell morphogenesis. Depending on the cell type or on its differentiation state, the MT networks will adopt different architectures. These organizations are defined by intracellular geometric constraints and the regulation of the acticity of many MT associated proteins (MAPs). Among these proteins, we get a particular interest in MAP65s family that crosslink MTs to organize them into bundles. The aim of my thesis was to study in vitro the role of MAP65s in the self-organization of MT bundles in particular networks. As a first step, I developed a biomimetic system using the micro-patterning procedure which imposes a MT assembly geometry within limits close to those observed in cells. This method allows to precisely control the MT assembly from micro-patterns with define shape, size and spatial distribution. In order to validate this technic, I reconstituted MT networks which mimic cellular architecture (i.e mitotic spindle modules). In a second time, I studied the role of major MT cross-linkers that are members of the MAP65 family in the formation of MT bundles, particularly the step of MT co-aligment after encountering of dynamic growing MTs. I found that plant MAP65-1 and its yeast ortholog, Ase1, lower the global rigidity of single MTs and MT bundles. This increase in MT flexibility is directly caused by interactions between the MAP65 MT-binding domain and the MT lattice. These data suggest that MT softening by MAP65 controls the issue of MT encounters, so that self-organized ordered MT bundles are formed in living cells. In a more general way, the modulation of MT mechanical propreties by MAPs represent a new mecanism to regulate MT networks plasticity in eukaryote cells.

AtMAP65-4 est une protéine associée aux microtubules appartenant à la famille des AtMAP65s qui compte 9 membres identifiés chez Arabidopsis thaliana. Ces protéines appartiennent à une famille conservée au cours de l'évolution, les MAP65s. Ainsi, des protéines homologues sont présentes chez de mammifères (PRC1), chez la levure (Ase1p) ou chez la drosophile (FEO). Jusqu'ici l'étude des propriétés moléculaires et fonctionnelles des AtMAP65s s'est portée essentiellement sur l'étude d'AtMAP65-1 et AtMAP65-5. La principale caractéristique de ces protéines est d'induire la formation de faisceaux de microtubules in vitro. La distribution des AtMAP65s in vivo est très régulée, celle-ci sont localisées avec des réseaux des microtubules bien définis. Ainsi, leur rôle supposé est de mettre en place ces réseaux puis de participer à leur maintient. La localisation d'AtMAP65-4 apparait comme très intéressante car elle est strictement associée avec les microtubules du fuseau mitotique. D'après les résultats obtenus au cours de ce travail, nous avons suggéré que la fonction in vivo d'AtMAP65-4 est de participer à la mise en place et au maintient des microtubules en faisceaux dans les fibres kinétochoriennes lors de la division cellulaire. Lors d'une étude in vitro nous avons montré qu'AtMAP65-4 modifie les paramètres dynamiques de polymérisation des microtubules. Outre sa capacité à former des faisceaux, AtMAP65-4 permet une croissance régulière des microtubules au sein des faisceaux qu'elle induit. Le mécanisme d'action de la MAP à l'échelle moléculaire a été analysé à travers une étude bioinformatique où nous avons modélisé l'activité d'AtMAP65-4. Les données obtenues montrent qu'AtMAP65-4 peut bloquer les évènements de dépolymérisation des microtubules. Par ailleurs, l'activité d'AtMAP65-4 pourrait être régulée in vivo par des modifications post traductionnelles. En effet, nous avons montré et étudié l'effet de la phosphorylation d'AtMAP65-4 par les kinases Auroras. Cette phosphorylation pourrait être impliquée dans la régulation de l'activité d'AtMAP65-4 au cours de la mitose. / AtMAP65-4 is a microtubule-associated protein belonging to the AtMAP65s family that comprises 9 members identified in Arabidopsis thaliana. These proteins belong to a family conserved during evolution, MAP65s. Thus, homologous proteins are present in mammals (PRC1), in yeast (Ase1p) or Drosophila (FEO). So far the study of molecular properties and functional AtMAP65s has focused mainly on AtMAP65-1 and AtMAP65-5. The main feature of these proteins is to induce the formation of microtubule bundles in vitro. In vivo, these AtMAP65s are localized with subsets of microtubule bundles as they are suggested to play a role in establishing and maintaining these networks. From the results we obtained on AtMAP65-4 properties during this work such as the in vivo localization, biochemical properties and functional effetc on the MT polymerization, we suggested that the in vivo function of AtMAP65-4 is involved in setting up and maintaining microtubule bundles within kinetochore fibers during cell division. In vitro studies allowed us to show that AtMAP65-4 changes the dynamic parameters of microtubule. In addition to its ability to form bundles, AtMAP65-4 allows steady growth of microtubules in bundles it induces. The mechanism of action of the MAP at the molecular level was analyzed through a bioinformatics study where we modeled the activity of AtMAP65-4 and concluded that it could block the depolymerization events. Moreover, the activity of AtMAP65-4 could be regulated in vivo by post-translational modifications. Indeed, we have shown that AtMAP65-4 is phosphorylated by Aurora kinases in vitro. The effect of this phosphorylation during mitosis is under investigation.