La microscopie de super-résolution PALM (microscopie de localisation après photo-activation) est un outil performant pour l'étude des cellules à l'échelle nanométrique. Dans ses applications avancées, la microscopie PALM permet l'étude quantitative et dynamique des objets et événements biologiques. Ces applications sont cependant limitées par le comportement photophysique complexe des protéines fluorescentes photoconvertibles vert à rouge (PCFPs) utilisées comme marqueurs. En particulier, les transitions répétées et stochastiques des PCFPs entre un état sombre et un état fluorescent (scintillement) ainsi que l'incomplétude de photoconversion compliquent l'extraction d'informations quantitatives.Nos travaux combinant cristallographie aux rayons X des protéines et microscopie de localisation ont permis de mettre en évidence le rôle central d'un acide aminé conservé au sein des PCFPs, l'arginine 66, dans le contrôle du scintillement et du photoblanchiment de la forme rouge de deux PCFPs populaires: mEos2 et Dendra2.D'autre part, des résultats préliminaires suggèrent que dans leur formes vertes et dans les conditions d'illumination classiques PALM, les PCFPs entrent dans un état sombre de long temps de vie ce qui ralentit la photoconversion.Nos résultats ouvrent la porte à la conception raisonnée de nouvelles PCFPs optimisées pour les applications quantitatives et dynamiques du PALM. / Super-resolution PALM microscopy (photoactivated localization microscopy) is a powerful tool to investigate the cells with nanoscopic accuracy. Advanced PALM microscopy allows to quantitatively and dynamically study biological objects and events. These applications are nevertheless limited by the complex photophysical behavior of the green-to-red photoconvertible fluorescent proteins (PCFPs) used as markers. In particular, PCFPs red forms repeated and stochastic transitions between a fluorescent and a dark state (blinking) as well as photoconversion uncompleteness complicate the extraction of quantitative information.Our study, by combining X-ray crystallography and localization microscopy, evidences that a single aminoacid well conserved among PCFPs, the arginine 66, controls the blinking and photobleaching behavior of two popular PCFPs: mEos2 and Dendra2.Preliminary results suggest that in their green forms and under PALM classical illumination conditions, PCFPs switch to a long-lived dark state resulting in a photoconversion slowing down.Our results open the door to future rational engineering of enhanced PCFPs for quantitative and dynamic PALM.

Neisseria meningitidis, ou méningocoque, est une bactérie responsable de méningites et de septicémies, dont la forme la plus grave, purpura fulminans, est souvent fatale. Cette bactérie, qui réside naturellement dans le rhinopharynx de l’Homme, est pathogène lorsqu’elle atteint la circulation sanguine et entre en contact avec les cellules endothéliales. L’établissement d’une interaction étroite entre le méningocoque et les cellules endothéliales est essentiel à la résistance des bactéries au flux sanguin et à la colonisation vasculaire. Cette interaction peut conduire à une désorganisation massive des endothéliums périphériques et cérébraux permettant la dissémination de la bactérie. Ces processus dépendent de la primo-interaction des pili de type IV du méningocoque avec le récepteur endothélial CD147 et de l’activation du récepteur β2-adrénergique (β2AR). L’activation de voies de signalisation en aval du β2AR dans les cellules hôtes permet l’adhérence efficace et intime des bactéries à la surface des cellules endothéliales. Toutefois, comment les récepteurs CD147 et β2AR coopèrent pour promouvoir une interaction initiale efficace et rapide n’était pas connu. Au cours de ma thèse, j’ai donc analysé les éventuelles interactions et liens fonctionnels existants entre les récepteurs CD147 et β2AR et suivi, à l’aide de nouvelles approches d’imagerie à haute résolution, leur organisation moléculaire aux sites de contact bactéries/cellule. Mes travaux ont permis de révéler l’existence d’une interaction fonctionnelle entre les récepteurs CD147 et β2AR, et d’identifier un nouveau partenaire cytosolique interagissant directement avec ces récepteurs, l’α-actinine4 (Actn4). L’expression de l’Actn4 est requise pour l’assemblage organisé de ces récepteurs en complexes multimoléculaires aux sites de contact bactéries/cellule endothéliale. Cette organisation est déterminante pour générer une force suffisante à l’interaction initiale du méningocoque aux cellules endothéliales, et promouvoir l’activation rapide des voies de signalisation nécessaires à la consolidation de cette interaction. L’infection des cellules endothéliales par le méningocoque s’accompagne de la désorganisation des jonctions intercellulaires et l’ouverture d’une voie paracellulaire favorisant la dissémination tissulaire des bactéries. Ces évènements dépendent de l’activation de la petite GTPase Cdc42 et, en aval, de la relocalisation du complexe de polarité Par3/Par6/aPKC au site d’adhérence bactérien. Ce complexe moléculaire très conservé est impliqué dans la mise en place de la polarité baso-apicale des cellules endothéliales. La perte de la polarité cellulaire constituant un élément déterminant de la perte de l’intégrité vasculaire, dans une seconde partie de ma thèse, j’ai donc entrepris une analyse des événements de signalisation précoces conduisant au remodelage de l’organisation apico-basale des cellules endothéliales par N. meningitidis. Mes travaux montrent que rapidement après adhésion aux cellules endothéliales, le méningocoque induit la ré-orientation de l’axe de polarité noyau-centrosome des cellules en direction des bactéries et mettant en jeu un mécanisme original indépendant de l’activation de Cdc42 par le β2AR. Le recrutement des ERM (Ezrine et Moesin) et la polymérisation d’actine corticale au site d’infection semblent constituer des facteurs clé de cette étape précoce de modification de la polarité endothéliale induite par le méningocoque. Ainsi, ces études ont permis une avancée majeure dans notre compréhension du mécanisme d’adhésion du méningocoque aux cellules endothéliales et des événements moléculaires précoces conduisant à l’altération de l’intégrité vasculaire, deux étapes clés au cœur de la pathogénèse des infections invasives à méningocoque. / Neisseria meningitidis or meningococcus is a commensal bacterium of the human nasopharynx responsible for septicemia and meningitis. Establishment of a close interaction between meningococcus and endothelial cells is an important step in meningococcal pathogenesis as it promotes bacterial resistance to blood flow and vascular colonization, leading to major endothelial dysfunctions and bacterial dissemination into perivascular tissues. This process depends on the interaction of meningococcal type IV pili with the endothelial receptor CD147 and the activation of the β2 adrenergic receptor (β2AR). Activation of a cellular response downstream of β2AR activation is important to allow the efficient adhesion of meningococci at the endothelial cell surface. However, how CD147 and the β2AR cooperate to promote a rapid and efficient initial adhesion remained to be explored. During my thesis, I have analyzed the interaction and the functional link between these two receptors and, using super resolution microscopy, I have investigated their molecular organization at sites of bacterial adhesion. My work revealed a functional interaction in cis between CD147 and the β2AR and binding of these receptors complexes to the molecular scaffold protein α-actinin 4 (Actn4). Actn4 expression is required for the organized assembly of these receptors in highly-ordered complexes at bacterial adhesion sites. This specific organization is decisive to provide a sufficient binding strength of meningococcal type IV pili with endothelial receptors and to promote a rapid activation of downstream signaling events in a short time frame. Endothelial cell infection by N. meningitidis is associated with the disruption of intercellular junctions and the opening of a paracellular route favoring bacterial dissemination into tissues. These events are dependent on Cdc42 activation and on the relocalization of the Par3/Par6/aPKC polarity complex at bacterial adhesion sites. This molecular complex is conserved and involved in baso-apical polarity establishment in endothelial cells. Since endothelial polarity is essential in maintaining junction integrity, in a second part of my thesis work I have analyzed the early signaling events triggered by meningococcal infection with a particular emphasis on endothelial cell polarity modifications. I observed that bacterial adhesion rapidly induced a re-orientation of the nucleus-centrosome axis toward bacterial adhesion sites. Unexpectedly, this re-orientation was independent of Cdc42 activation downstream of the β2AR. In place, the ERM proteins (Ezrin and Moesin), along with cortical actin polymerization seem to be key factors in this process. This work contributes to the understanding of the meningococcal adhesion mechanism to endothelial cells and the early molecular events leading to the loss of vascular integrity. These two key steps are very important in the meningococcal pathogenesis.

Dans cette thèse, nous avons construit et optimisé des méthodes de microscopie de fluorescence super-résolue stochastique, polarisée et quantitative qui nous permettent d'imager l'orientation moléculaire dans des environnements dynamiques et statiques a l’échelle de la molécule unique et avec une résolution nanoscopique. En utilisant un montage de microscopie super-résolue à lecture stochastique en combinaison avec une détection polarisée, nous avons pu reconstruire des images d'anisotropie de fluorescence avec une résolution spatiale de 40 nm. En particulier, nous avons pu imager l'ordre orientationnel d'assemblages biomoléculaires et cellulaires. Pour l'imagerie cellulaire, nous avons pu étudier la capacité d'étiquettes de marquer fluorophoresde reporter quantifier l'orientation moléculaire dans l'actine et les microtubules dans des cellules fixées. Nous avons également mis à profit la meilleure résolution et la détection polarisée pour étudier l'ordre moléculaire d’agrégats d’amyloïdes a l’échelle nanoscopique. Enfin, nous avons étudié l'interaction de la protéine de réparation RAD51 avec l'ADN par microscopie de fluorescence polarisée super-résolue pour quantifier l'ordre orientationnel de l'ADN et de la protéine RAD51 afin de comprendre la recombinaison homologue du mécanisme de réparation de l'ADN. / .In this thesis we built and optimized quantitative polarized stochastic super-resolution fluorescence microscopy techniques that enabled us to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments at single molecule level and with nano-scale resolution. Using a scheme of stochastic read-out super resolution microscopy in combination with polarized detection, we can reconstruct fluorescence anisotropy images at a spatial resolution of 40 nm. In particular, we have been able to use the techniques to quantify the molecular orientationalorder in cellular and bio-molecular assemblies. For cellular imaging, we could quantify the ability of fluorophore labels to report molecular orientation of actin and microtubules in fixed cells. Furthermore, we used the improvements of resolution and polarization detection to study molecular order of amyloid aggregates at a nanoscopic scale. Also, we studied repair protein RAD51` s interaction with DNA by using dual color polarized fluorescence microscopy, to quantify the orientational order of DNA and RAD51 to understand the homologous recombination of DNA repair mechanism.

Le cerveau est un organe complexe composé de neurones et des cellules non-neuronales. La communication entre les neurones a lieu via les synapses, dont le remodelage morphologique est considéré essentiel pour le traitement et le stockage des informations dans le cerveau des mammifères. Récemment, ce point de vue neuro-centré de la fonction synaptique a évolué, en prenant également en compte les processus gliaux à proximité immédiate de la synapse. Cependant, comme leur structure est bien en deçà de la résolution spatiale de la microscopie optique conventionnelle, les progrès dans les enquêtes dans leur environnement physiologique, le cerveau intact, ont été entravés. En effet, on sait peu sur les variations nanométriques de la morphologie des épines dendritiques et l'interaction avec les processus gliaux, et, finalement, comment elles affectent la transmission synaptique in vivo. Dans cette thèse, nous cherchons à visualiser la dynamique de la nano-morphologie des épines dendritiques et les processus gliaux dans le cortex à tonneaux de souris in vivo. Nous avons donc mis en place l’imagerie super-résolution 2P-STED en temps réel, ce qui permet une haute résolution spatiale et la pénétration profonde des tissus, chez la souris anesthésiée in vivo. Nous montrons que la nano-morphologie des épines est diversifiée, variable, mais globalement stable, et que les différences dans la morphologie des épines peut avoir un effet sur leur compartimentation in vivo. En outre, la mise en œuvre de l’imagerie super-résolution en double couleur in vivo et le développement d'une approche de marquage astrocytaire, nous ont permis de fournir la caractérisation à l'échelle nanométrique des interactions neurone-glie. Ces résultats apportent un aperçu sans précédent dans la dynamique de la synapse à l'échelle nanométrique in vivo, et ouvrent la voie à une meilleure compréhension de la façon dont les réarrangements morphologiques des synapses contribuent à la physiologie du cerveau. / The brain is a complex organ consisting of neurons and non-neuronal cells. Communication between neurons takes place via synapses, whose morphological remodeling is thought to be crucial for information processing and storage in the mammalian brain. Recently, this neuro-centric view of synaptic function has evolved, also taking into account the glial processes in close vicinity of the synapse. However, as their structure is well below the spatial resolution of conventional light microscopy, progress in investigating them in a physiological environment, the intact brain, has been impeded. Indeed, little is known on the nanoscale morphological variations of dendritic spines, the interaction with glial processes, and how these affect synaptic transmission in vivo. Here, we aim to visualize the dynamic nano-morphology of dendritic spines in mouse somatosensory cortex in vivo. We implemented super-resolution 2P-STED time-lapse imaging, which allows for high spatial resolution and deep tissue penetration, in anesthetized mice, and show that the nano-morphology of spines is diverse, variable, but on average stable, and that differences in spine morphology can have an effect on spine biochemical compartmentalization in vivo. Moreover, implementation of dual color in vivo super-resolution imaging and a novel astrocytic labeling approach provided the first steps towards nanoscale characterization of neuron-glia interactions in vivo. These findings bring new insights in synapse dynamics at the nanoscale in vivo, and our methodological endeavors help pave the way for a better understanding of how nanoscale aspects of spine morphology and their dynamics might contribute to brain physiology and animal behavior.