Des techniques variées de visualisation de molécules d’intérêt sur cellules vivantes ou fixées ont permis de suivre leur synthèse, localisation, dégradation et autres activités. Dans cette étude, nous avons développé deux outils de fluorescence pour étudier la synthèse des protéines sur bactéries vivantes. Le premier décrit l’utilisation du système Spinach pour l’imagerie du ribosome. Cette approche diffère des méthodes conventionnelles qui utilisent des protéines fluorescentes puisque l’ARN ribosomal 16S contient un aptamère qui rend fluorescent un composé fluorogène. Une étude comparative de la performance de différents aptamères Spinach a été réalisée. Un deuxième outil se focalise sur l’accumulation d’un antibiotique de la famille des aminoglycosides (ligand du ribosome) conjugué à un fluorophore. Ce nouveau conjugué, qui a conservé son activité bactéricide permet pour la première fois de visualiser l’accumulation de l’antibiotique sur bactérie vivante. Cela permet une analyse au niveau de la cellule unique d’une population bactérienne exposée à l’antibiotique. Nous avons également obtenu des données sur la localisation de l’antibiotique une fois qu’il a pénétré dans la bactérie à une résolution inégalée par microscopie super-résolutive. Nous espérons que ces deux méthodes vont maintenant permettre une meilleure compréhension de la synthèse des protéines et fournir une vue nouvelle de la pénétration des antibiotiques dans les bactéries pour y produire leur action bactéricide. / Various visualizing techniques have previously enabled monitoring the fate of molecules of interest: their expression, localization, degradation and other activities in live or fixed cells. In this study, we have developed two fluorescent tools to study protein synthesis in live bacterial cell. The first one describes the application of Spinach system to ribosomes imaging. This is different from conventional methods (that use fluorescent proteins) in that 16S rRNA contains an inserted RNA aptamer that elicits fluorescence of a fluorogenic compound. A comparative study of the performance of different Spinach aptamers was performed here. A second system focuses on the uptake of a fluorescently labeled ligand of the ribosome, an antibiotic of the class of aminoglycosides. This novel conjugate, which kept its bactericidal activity allows for the first time imaging of aminoglycoside uptake on live bacteria. This opened the door to a single cell analysis of bacterial cell populations. We also obtained data about the localization of the antibiotic once inside the bacteria to an unprecedented resolution using super resolution microscopy. We hope that both of these methods will contribute to a better understanding of protein synthesis as well as provide a novel view on the way antibiotics penetrate into cells and perform their bactericidal action.

Le noyau cellulaire est le siège de réactions chimiques dont le but est l’expression de gènes, la duplication du génome et du maintien et l’intégrité de l’information génétique. Ces réactions sont régulées au cours du cycle cellulaire ou en réponse à un stress. Parmi elles, la transcription permet qu’une séquence d’ADN soit reproduite sous forme d’ARN messager. La transcription est un exemple frappant de processus fondamental pour la cellule impliquant parfois un nombre très faible de molécules. En effet, il n’y a souvent dans un même génome que quelques copies d’un même gène. Le but de cette thèse est d’imager les processus nucléaires dans des cellules humaines à l’échelle de la molécule unique et d’en extraire les grandeurs caractéristiques. Depuis les années 90, des inventeurs de génie ont développé des méthodes simples à partir de microscopes inversés ordinaires pour observer des molécules individuelles jusque dans le noyau des cellules. Nous avons utilisé ces méthodes pour suivre des facteurs de transcription qui régulent la transcription d’un gène. Nos mesures montrent que, bien que hiératique, l’exploration du noyau par les facteurs de transcriptions est régulée par leurs propriétés chimiques. L’agencement des composants du noyau guide les facteurs de transcription dans la recherche d’un gène. Comme exemple de cet agencement, nous nous sommes ensuite intéressés à l’organisation de l’ADN dans le noyau pour montrer qu’elle présentait les caractéristiques d’une structure auto-organisée, une structure fractale. Cette structure change en réponse aux aléas de la vie de la cellule. Dans une dernière étude, nous avons suivi un locus dans le noyau d’une levure. La structure du noyau, qui est révélée par notre méthode, contraint la diffusion du locus à un régime de reptation. Tous ces résultats montrent combien la structure du noyau et les réactions chimiques qui y ont lieu sont interdépendantes. Cette thèse a également permis le développement de méthodes de quantification précises des réactions cellulaires à l’échelle de la molécule unique. / The cell nucleus is a chemical reactor. Nuclear components interact with each other to express genes, duplicate the chromosomes for cell division, and protect DNA from alteration. These reactions are regulated along the cell cycle and in response to stress. One of the fundamental nuclear processes, transcription, enables the production of a messenger RNA from a template DNA sequence. While mandatory for the cell, transcription nevertheless may involve a very small number of molecules. Indeed, a single gene would have only few copies in the genome. During my PhD, I studied nuclear processes in human cells nuclei at the single molecule level with novel imaging techniques. I developed new statistical tools to quantify nuclear components movement that revealed a dynamic nuclear architecture. Since the 90s, simple methods have been developed for the observation of single molecules in the cell. These experiments can be conducted in an ordinary inverted microscope. We used these methods to monitor nuclear molecules called transcription factors (TF) that regulate transcription. From TF dynamics, we concluded that nuclear exploration by transcription factors is regulated by their chemical interactions with partners. The organization of the components of the nucleus guide transcription factors in their search of a gene. As an example of this organization, we then studied chromatin, the de-condensed form of nuclear DNA, proving that it displays the characteristics of a self-organized fractal structure. This structure changes in response to cellular fate and stress. In yeast, we showed that the interminglement of chromatin constrained DNA locus movement in a reptation regime. All these results show the interdependence of the structure of the nucleus and of its chemical reactions. With combination of realistic modeling and high resolution microscopy, we have enlightened the specificity of the nucleus as a chemical reactor. This thesis has also enabled the development of accurate methods for the statistical analysis of single molecule data.

Les épines dendritiques sont de petites protrusions post-synaptiques présentant des changements morphologiques corrélés avec la plasticité synaptique. Elles ont pour origine les filopodes dendritiques qui s’élargissent lors du contact avec l’axone. Ces changements morphologiques impliquent une grande variété de molécules dont des protéines associées à l’actine et des protéines d’adhésion. Cependant, comment ces différentes protéines sont coordonnées dans le temps et l’espace est encore largement méconnu. De plus, les techniques de microscopie conventionnelle ne permettent pas d’étudier l’organisation et la dynamique de ces protéines dans les épines dont la taille est proche de la limite de resolution. L’objectif de ma thèse a donc été d’explorer le rôle des protéines associées à l’actine ainsi que celui des protéines d’adhésion N-cadhérines dans l’organisation et la dynamique du cytosquelette d’actine des épines dendritiques. Dans une première étude, nous avons suivi la motilité des filopodes et épines dendritiques de neurones en visualisant l’actine-GFP. Nous avons couplé cette approche avec : 1) une technique de piégeage optique de microsphères recouvertes de N-cadhérines ou des substrats micro-imprimés également recouverts de N-cadhérines afin de contrôler temporellement et spatialement les adhésions cadhérine-cadhérine, 2) la stimulation pharmacologique de la myosine II afin d’induire la contraction F-actine/myosine et 3) l’expression de mutants de N-cadhérine non adhésifs. Nous avons ainsi démontré que la stabilisation des filopodes en épines était dépendante de l’engagement d’un embrayage moléculaire entre les adhésions trans-synaptiques N-cadhérine et le flux rétrograde d’actine généré par les myosines II. Dans une deuxième étude, nous avons utilisé la microscopie super-résolutive (PALM et dSTORM) et le suivi de protéines individuelles (sptPALM) pour étudier l’organisation et la dynamique à l’échelle nanométrique des protéines à l’origine des réseaux d’actine branchés dans les épines. Ainsi, nous avons caractérisé la localisation et la dynamique de l’actine, du complexe Arp2/3, du complexe WAVE, d’IRSp53, de VASP et de Rac-1. Nous avons montré que, contrairement aux structures motiles classiques comme lamellipode, le réseau d’actine branché dans les épines n’ést pas formé aux extrémités protrusives puis incorporé dans un flux rétrograde d’actine. Ce réseau est initié à la PSD puis croît vers l’extérieur afin de générer les protrusions membranaires responsablent des changements morphologiques de l’épine. Nos résultats montrent également qu’un contrôle strict de l’activité de Rac-1 est nécessaire au maintien de la morphologie des épines dendritiques et de l’architecture du réseau d’actine branché. L’ensemble de mon travail souligne l’importance du rôle de l’organisation à l’échelle nanométrique du réseau d’actine branché et des adhésions N-cadhérine dans la dynamique et la formation des épines dendritiques. Ces résultats pourraient avoir un rôle important dans la compréhension des changements morphologiques lors de la plasticité synaptique. / Dendritic spines are tiny post-synaptic protrusions exhibiting changes in morphology correlated with synaptic plasticity. They originate from motile dendritic filopodia, which enlarge after contacting axons. These morphological changes involve a wide number of molecular actors, including actin-binding proteins, and adhesion molecules. However, how these various molecular components are coordinated temporally and spatially to tune changes in spine shape remains unclear. Furthermore, conventional photonic microscopy techniques could not achieved the spatial resolution required to study the dynamic nanoscale organization of these proteins within the micron size dendritic spines. The objective of my Ph.D. was to unravel how actin-binding proteins and N-cadherin adhesion regulate the organization and dynamics of F-actin network in dendritic spines. In a first study, we measured the motility of dendritic filopodia and spines by time lapse imaging of actin-GFP in primary hippocampal neurons. We combined those measurements with: 1) manipulation of N-cadherin coated beads with optical tweezers, or micropatterns to control the timing and location of nascent N-cadherin adhesions, 2) pharmacological stimulation of myosin II to trigger contraction of the F-actin/myosin network and 3) expression of non-adhesive N-cadherin mutants to compete for the interaction between N-cadherin adhesion and F-actin. Using these different approaches we demonstrated that the stabilization of dendritic filopodia into mature spines was dependent on the engagement of a molecular clutch between trans-synaptic N-cadherin adhesions and the myosin driven F-actin flow. In a second study, we used super resolution microscopy (PALM and dSTORM) and single protein tracking (sptPALM) to study the dynamic nanoscale organizations of branched actin networks within dendritic spines. Using these technics, we characterized within dendritic spines, the localization and dynamics of actin, Arp2/3 complex, WAVE complex, IRSp53, VASP and Rac-1. We established that, opposite to classical motile structures such as the lamellipodium, branched F-actin networks in dendritic spines are not formed at the tip of membrane protrusions and incorporated in a retrograde flow. On the contrary, they are growing outwards from the PSD generating membrane protrusions responsible for spine motility. We also show that a thigh control of Rac1 activity is required to maintain dendritic spine morphology and branched actin network organization. Altogether, these studies point out the role of the nanoscale functional organization of F-actin networks and its linkage to adhesion proteins in the regulation of dendritic spine formation and dynamics. These findings may have important implications in the understanding of spine morphology changes driven by synaptic activity.

Les changements des connections neuronales interviendraient dans la formation de la mémoire. J’ai développé de nouvelles approches basées sur l’imagerie photonique pour étudier (i) les interactions entre les microglies et les épines dendritiques, et (ii) le renouvellement des épines dans l’hippocampe in vivo. Ces deux phénomènes contribueraient au remodelage des circuits synaptiques intervenant dans la mémoire. (i) Les microglies sont impliquées dans de nouvelles fonctions en condition saine. J’ai examiné l’effet de la plasticité synaptique sur la dynamique morphologique des microglies, et sur leur interaction avec les épines. En combinant l’électrophysiologie et l’imagerie bi-photonique dans des tranches aigües de souris transgéniques, je démontre que la microglie intensifie son interaction physique avec les épines. Ainsi pour continuer l’étude de ces interactions et leur impact fonctionnel plus précisément, j’ai optimisé l’imagerie STED dans des tranches aigües. (ii) La plasticité structurale des épines est cruciale pour la mémoire, mais les connaissances à ce sujet dans l’hippocampe in vivo restent limitées. J’ai donc établi une technique d’imagerie chronique STED in vivo pour visualiser les épines dans l’hippocampe. Cette approche a révélé une densité double de celle reportée précédemment à l’aide de la microscopie bi-photonique. De plus j’ai observé un renouvellement des épines de 40% en 5 jours, représentant un taux important de remodelage synaptique dans l’hippocampe. Les approches d’imagerie super-résolutive permettent l’étude des interactions microglie-épine, et du renouvellement des épines hippocampiques avec une résolution inédite chez la souris vivante. / Activity-dependent changes in neuronal connectivity are thought to underlie learning and memory. I developed and applied novel high-resolution imaging-based approaches to study (i) microglia-spine interactions and (ii) the turnover of dendritic spines in the mouse hippocampus, which are both thought to contribute to the remodeling of synaptic circuits underlying memory formation. (i) Microglia have been implicated in a variety of novel tasks beyond their classic immune defensive roles. I examined the effect of synaptic plasticity on microglial morphological dynamics and interactions with spines, using a combination of electrophysiology and two-photon microscopy in acute brain slices. I demonstrated that microglia intensify their physical interactions with spines after the induction of hippocampal synaptic plasticity. To study these interactions and their functional impact in greater detail, I optimized and applied time-lapse STED imaging in acute brain slices. (ii) Spine structural plasticity is thought to underpin memory formation. Yet, we know very little about it in the hippocampus in vivo, which is the archetypical memory center of the mammalian brain. I established chronic in vivo STED imaging of hippocampal spines in the living mouse using a modified cranial window technique. The super-resolution approach revealed a spine density that was two times higher than reported in the two-photon literature, and a spine turnover of 40% over 5 days, indicating a high level of structural remodeling of hippocampal synaptic circuits. The developed super-resolution imaging approaches enable the examination of microglia-synapse interactions and dendritic spines with unprecedented resolution in the living brain (tissue).