Abstract : Long-term survival of T lymphocytes in a quiescent state is essential to maintain their cell numbers in secondary lymphoid organs. Interaction of the T cell antigen receptor (TCR) with self-peptide/MHC synergizes with IL-7-induced anti-apoptotic signals to promote T cell survival. These extrinsic stimuli are also implicated in T cell metabolism and survival by regulating several signaling pathways including the phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K)/Akt pathway. In mice and in rats, loss of functional GTPase of the immune associated nucleotide binding protein 5 (GIMAP5) causes peripheral T lymphopenia due to spontaneous death of T cells. The underlying mechanisms responsible for the pro-survival function of GIMAP5 in T lymphocytes remain largely unknown. Previous work from my laboratory has shown that T cells from GIMAP5-deficient rats show reduced influx of calcium (Ca[superscript 2+]) from the extracellular milieu following stimulation of the TCR complex. In this thesis, I characterized the mechanism by which GIMAP5 regulates Ca[superscript 2+] homeostasis, and elucidated the signaling pathways modulated by GIMAP5 to facilitate the survival of T cells. Firstly, I investigated if GIMAP5 prevents apoptotic death of T lymphocytes by affecting the Ca[superscript 2+] buffering capacity of mitochondria, which is required for sustained Ca[superscript 2+] influx via the plasma membrane channels. I observed that mitochondrial Ca[superscript 2+] accumulation following capacitative Ca[superscript 2+] entry is defective in T cells from Gimap5 deficient rats. Disruption of microtubules, but not the actin cytoskeleton, abrogated Ca[superscript 2+] sequestration by mitochondria in T cells from control but not Gimap5 deficient mice. Similarly, mice lacking functional GIMAP5 displayed defective T cell development and Ca[superscript 2+] influx. Furthermore, I observed that the proximal signaling events following TCR stimulation was reduced and was accompanied by defective proliferation in T cells from Gimap5 deficient mice. Additionally, IL-7-induced STAT5 phosphorylation was decreased in CD4[superscript +] T cells from Gimap5 deficient mice. I also showed that loss of functional Gimap5 results in increased basal activation of mammalian target of rapamycin (mTOR), independent of protein phosphatase 2A (PP2A) or AMP-activated protein kinase (AMPK). Instead, the constitutive activation the PI3K pathway contributed to the spontaneous high mTOR activation. Collectively, my observations suggest that the pro-survival function of GIMAP5 in T-lymphocytes may be linked to the regulation of diverse signaling pathways in a context dependent manner. GIMAP5 also facilitates microtubule-dependent mitochondrial buffering of Ca[superscript 2+] following capacitative entry. GIMAP5 is required to integrate the survival signals generated following activation through TCR and IL-7R. / Résumé : La survie à long terme des lymphocytes T en état de repos est essentielle pour maintenir leurs nombres dans les organes lymphoïdes secondaires. Le récepteur antigénique des cellules T (TCR) en contact avec les peptides du soi / CMH et en synergie avec l'IL-7 induit des signaux anti-apoptotiques pour favoriser la survie des cellules T. Ces stimuli extrinsèques sont également impliqués dans le métabolisme et la survie des cellules T grâce à la régulation de plusieurs voies de signalisation dont la voie phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K) /AKT. Chez la souris et chez le rat, la perte de l’activité de GIMAP5 (GTPase of Immune Associated Nucleotide Binding Protein 5), provoque une lymphopénie T périphérique en raison de la mort spontanée des cellules T. Le mécanisme sous-jacent responsable de la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T reste largement inconnu. Nous avons observé que les cellules de rats déficients en GIMAP5, après stimulation par complexe TCR, montrent un afflux de calcium (Ca[indice supérieur 2+]) réduit provenant du milieu extracellulaire. Dans cette thèse, J’ai caractérisé le mécanisme d’action de GIMAP5 dans la régulation de l'homéostasie du Ca[indice supérieur 2+], ainsi que les voies de signalisation modulées par GIMAP5 pour faciliter la survie des cellules T. Tout d'abord, j’ai étudié si GIMAP5 empêche l’apoptose des lymphocytes T en affectant la capacité des mitochondries à réguler la concentration du Ca[indice supérieur 2+], ce qui est nécessaire pour soutenir l’influx de Ca[indice supérieur 2+]. J’ai trouvé que l’accumulation du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+] est défectueuse dans les cellules T de rat déficientes en Gimap5. La disruption des microtubules, mais pas du cytosquelette d'actine, abroge la séquestration du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial dans les cellules T primaires de rat, mais pas dans les cellules T déficientes en Gimap5. J’ai observé que les cellules T provenant de souris déficientes en Gimap5 démontrent une diminution de l’entrée de Ca[indice supérieur 2+]. De plus, la prolifération des cellules T déficientes en Gimap5 est diminuée suite à la stimulation du TCR. En outre, la phosphorylation de STAT5 induit par l'IL-7 est diminuée dans les cellules T CD4[indice supérieur +] de souris déficientes en Gimap5. Également, la perte de Gimap5 aboutit à une activation accrue de la cible mammalienne de la rapamycine (mTOR), indépendamment de la protéine phosphatase 2A (PP2A) ou de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK). Au lieu de cela, l'activation constitutive de la voie PI3K contribue à une forte activation spontanée de mTOR. Collectivement, la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T peut être liée à la régulation de différentes voies de signalisation. GIMAP5 facilite la fonction, microtubule dépendant, des mitochondries dans leurs actions de régulation du Ca[indice supérieur 2+] après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+]. GIMAP5 est nécessaire pour intégrer les signaux de survie produits suite à l'activation du TCR et de l’IL-7R, qui pourrait être associée à la régulation de l'activité PI3K / AKT / mTOR.

The objective of this study is to investigate the role of microtubule based organelle, the primary cilia in lung adenocarcinoma by i) Quantifying the presence of primary cilia in several Non Small Cell Lung Cancer (NSCLC) cell lines in response to mechanical stimuli, ii) Attempting to determine the role of primary cilia in cell migration, iii) Investigating the effects of Paclitaxel(Taxol) resistance in lung cancer cells, iv) Analyzing the response of lung cancer cells to Smoothened Inhibitors and v) Determining the effects of Transforming Growth Factor Beta-1(TGF-β1) induced Epithelial to Mesenchymal Transition(EMT) in lung cancer cells. To ascertain the effects of primary cilia in the hall marks of tumor progression, several experiments involved prohibition of primary cilia formation by silencing IFT88, the gene responsible using small interfering RNA. Three out of the five cell lines tested, showed increased expression of primary cilia under mechanical stretch. IFT88 inhibition of H460 cells decreased their migration rate to the injury site under stretch conditions. Smoothened (SMO) Inhibitors decreased proliferation and migration rates in human lung adenocarcinoma cell lines (A549luc) similar to the effects observed in IFT88 silenced cells. IFT88 silenced A549luc cells showed a partial reversal of TGF-beta1 induced up-regulation of a mesenchymal marker. These results indicate that primary cilia play a role in the progression and metastasis of lung cancer by aiding the adhesion, proliferation, migration and EMT of lung cancer cells.

Drug resistance in cancer cells is a frequent cause of breast cancer therapy failure. The aim of this thesis was to elucidate mechanisms of resistance to taxanes, that are used in therapy of various types of cancer, including breast cancer. We particularly assessed the role of autophagy and changes in βII- and βIII isotype gene expression in development of taxane resistance. As model of breast cancer we used human sensitive cell lines SK-BR-3, MCF-7 a T47-D and resistant sublines SK-BR-3-PAC/REZ a MCF-7- PAC/REZ which grow in paclitaxel concentration lethal for sensitive sublines. In cell lines SK-BR-3 and MCF-7, taxane application decreased the level of autophagy, however in cell line T47-D led to its activation. We detected no difference between basal levels of autophagy in sensitive subline SK-BR-3 compared to resistant subline SK-BR-3-PAC/REZ, but we observed increased basal level of autophagy in sensitive subline MCF-7 compared to the resistant subline. Increase or decrease level of autophagy did not affect taxane resistance, except activation of autophagy in resistant subline SK-BR-3-PAC/REZ, that further increased the resistance to paclitaxel. Taxane application in cell line T47-D increased the levels of βII- and βIII-tubuline expression, however we did not find any similar effect in other tested...

Le juste positionnement du noyau durant la formation musculaire semble important pour la fonction musculaire et des défauts ont été associés à plusieurs maladies musculaires. Le positionnement nucléaire dépend des microtubules (MTs), qui sont réorganisés depuis le centrosome, dans les myoblastes proliférants, vers l’enveloppe nucléaire (EN), dans les myotubes différenciés. Cette réorganisation s'accompagne de la redistribution des protéines centrosomales vers l’EN qui adopte le rôle de centre organisateur des microtubules (MTOC) lors de la différenciation myogénique. Néanmoins, les mécanismes sous-jacents restent inconnus. Ici, nous avons identifié les protéines Nesprin-1 et Sun1/2, localisées respectivement à la membrane nucléaire externe et interne, comme impliquées dans le recrutement de la fonction MTOC à l’EN. Les cellules déficientes en Nesprin-1 ou Sun1/2 ont montré une localisation altérée des protéines centrosomales dans le cytoplasme et l’absence des MTs depuis l’EN. De plus, Nesprin-1alpha, une myo-isoforme de Nesprin-1, s’associait aux protéines centrosomales Akap450, Pericentrin et Pcm1 dans les myotubes C2C12 et était suffisante pour corriger les défauts observés dans des cellules déplétées en Nesprin-1. Parmi les protéines centrosomales recrutées par Nesprin-1alpha, seule Akap450 semble nécessaire à la nucléation des MTs à l’EN. Ce processus, médié par Akap450 et Nesprin-1alpha, s’est avéré important pour le positionnement nucléaire lors du développement des myotubes. Ces résultats renforcent notre compréhension sur le lien causal entre des défauts lors de la formation du MTOC à l’EN et des défauts de positionnement nucléaire dans les dystrophies musculaires. / The accurate position of the nucleus during skeletal muscle formation seems to be important for muscle function, and defects have been associated with numerous muscle diseases. Nuclear positioning requires microtubules (MTs) which are reorganized from the centrosome in proliferating myoblasts to the nuclear envelope (NE) in differentiated myotubes. This dramatic MT reorganization is accompanied by a redistribution of proteins from the centrosome to the NE which thus takes over the function as a microtubule-organizing center (MTOC) during myogenic differentiation. However, the underlying mechanisms are still unknown. Here, we identified Nesprin-1 and Sun1/2, outer and inner nuclear membrane proteins, respectively, to be involved in the recruitment of MTOC function to the NE. Nesprin-1 or Sun1/2 deficient cells displayed mislocalization of centrosomal proteins to the cytoplasm and failed to regrow MTs from the NE. Moreover, the muscle-specific isoform of Nesprin-1, namely Nesprin-1alpha, was shown to be highly associated with the centrosomal proteins Akap450, Pericentrin and Pcm1 in C2C12 myotubes and to be sufficient to rescue the observed defects in Nesprin-1 depleted cells. Among the centrosomal proteins localizing at the NE during myogenic differentiation, solely Akap450 seemed to be required for MT nucleation. Akap450-Nesprin-1alpha-mediated MT nucleation from the NE was demonstrated to play an important role in nuclear positioning during myotube formation. These findings strengthen our understanding on how defects in MTOC formation at the NE can link to nuclear positioning defects in muscular dystrophies.

This thesis is focused on the role of host cytoskeleton, primarily microtubules and microfilaments, during tick-borne encephalitis virus infection in human neuroblastoma cell line SK-N-SH and tick cell line IRE/CTVM19. The importance of cytoskeletal integrity and dynamics to the viral replication cycle were examined using specific chemical inhibitors showing the virus utilizes studied structures in both cell lines. Immunofluorescence microscopy revealed structural changes in the actin cytoskeleton during late infection in SK-N-SH cells. Moreover, differences in expression of cytoskeleton-associated genes in both cell lines were compared. Several genes with up-regulated expression in SK-N-SH cells were identified during late infection.

No description available.

Le développement du cortex cérébral résulte de processus de prolifération, neurogenèse, migration et différenciation cellulaire qui sont contrôlés génétiquement. Les malformations corticales qui résultent d'anomalies de ces processus sont associées à l'épilepsie et la déficience intellectuelle. Nous avons étudié la souris mutante HeCo (heterotopic cortex), qui présente une hétérotopie sous-cortical bilatérale (neurones présents dans la substance blanche) et nous avons identifié la présence d'une mutation sur le gène Eml1 (Echinoderm Microtubule-associated protein-Like 1). De plus, des mutations du gène EML1 ont été identifiées chez des patients atteints d'une forme sévère et rare d'hétérotopie. Dans le cerveau embryonnaire des souris HeCo, des progéniteurs ont été identifiés en dehors de la zone de prolifération, ce qui représente une nouvelle cause de cette malformation. Nous avons étudié la fonction d'Eml1 dans les progéniteurs de la glie radiaire, qui sont clés au cours de la corticogenèse. Nous avons montré qu'Eml1 se localise dans le fuseau mitotique où elle est susceptible de réguler la dynamique des microtubules. Nos données suggèrent qu'Eml1 peut jouer un rôle dans la régulation de la longueur du fuseau puisque celle-ci est perturbée dans les cellules de la glie radiaire chez la souris HeCo. Ceci pourrait représenter la cause primaire de leur ectopie. Nous avons analysé le nombre et la taille des cellules en métaphase dans la partie apicale de la zone ventriculaire où ont lieu les mitoses. Nous proposons ici de nouveaux mécanismes qui régissent l'organisation des progéniteurs dans la zone ventriculaire au cours du développement cortical normal et pathologique. / The cerebral cortex develops through genetically regulated processes of cellular proliferation, neurogenesis, migration and differentiation. Cortical malformations represent a spectrum of heterogeneous disorders due to abnormalities in these steps, and associated with epilepsy and intellectual disability. We studied the HeCo (heterotopic cortex) mutant mouse, which exhibits bilateral subcortical band heterotopia (SBH), characterized by many aberrantly positioned neurons in the white matter. We found that Eml1 (Echinoderm Microtubule-associated protein-Like 1) is mutated in these mice. Screening of EML1 in heterotopia patients identified mutations giving rise to a severe and rare form of atypical heterotopia. In HeCo embryonic brains, progenitors were identified outside the normal proliferative ventricular zone (VZ), representing a novel cause of this disorder. We studied Eml1 function in radial glial progenitors (RGCs), which are important during corticogenesis generating other subtypes of progenitors and post-mitotic neurons, and serving as guides for migrating neurons. We showed that Eml1 localizes to the mitotic spindle where it might regulate microtubule dynamics. My data suggest a role in the establishment of the steady state metaphase spindle length. Indeed, HeCo RGCs in the VZ showed a perturbed spindle length during corticogenesis, and this may represent one of the primary mechanisms leading to abnormal progenitor behavior. I also analyzed cell number and metaphase cell size at the apical side of the VZ, where mitosis occurs. I thus propose new mechanisms governing normal and pathological VZ progenitor organization and function during cortical development.

Cette thèse est consacrée à la mécanique et à la mécanique statistique de biofilaments/biopolymères et de leur modèle le plus répandu le Worm-Like Chain (WLC) qu’il s’avère nécessaire d’étendre. Nous étudions WLC à 2-d en présence d’obstacles plus proches que la longueur de persistance. Nous caractérisons le mouvement aux temps courts par des simulations numériques complétées par des calculs analytiques. Des concepts similaires servent à décrire des ADN greffés balayés par le front d’une vésicule en cours d’étalement, l’adhésion de la vésicule est promue par des paires biotine/streptavidine qui contraignent les molécules d'ADN sur des chemins étroits où ils peuvent être imagés. Les microtubules (MT) ici stabilisés au taxol, présentent par contre certains comportements qui échappent au WLC et doivent être ramenés à leur structure interne : i)les déflexions latérales d’un MT attaché par un bout correspondent à une longueur de persistance apparente qui augmente avec la longueur ii) les MT adoptent des formes super-hélicoïdales. Ces deux points sont établis au moyen d’analyses de forme des MT. Des transitions de forme corrélées le long du MT mises en évidence sont compatibles avec un modèle basé sur la bistabilité du dimère de tubuline. Finalement un modèle de chaîne super-hélicoïdale comprenant une courbure et une torsion spontanées élargi le WLC. Confiné à 2-d, HWLC peut adopter un état fondamental circulaire ou sinueux caractérisé par le nombre de points d’inflexion où se concentre la torsion (twist-kink). Dans le cas circulaire, il existe des états métastables proches, à petit nombre de twist-kinks, hyperflexibles. / This PhD is devoted to the mechanics and statistical mechanics of biofilaments and their most widespread model, the Worm-Like Chain (WLC) model, which, as it turns out, needs to be extended. We study the WLC in 2-d in the presence of obstacles closer than their persistence length. We characterize the short time motion by numerical simulations complemented by analytical calculations. Similar concepts serve to describe grafted DNAs swept by the front of a spreading vesicle whose adhesion is promoted by biotin/streptavidin bonds, which constrain the DNAs on narrow paths where they can be imaged. Microtubules (MT), here stabilized by taxol, show features which cannot be rationalized by the WLC and shall be related to their internal structure : i)lateral deflections of a clamped MT correspond to an effective persistence length growing with the MT size ii) MT adopt super-helical shapes. These two points are proven by refined image analysis. We analyze shape transitions correlated along the MT which are compatible with a model based on dimer bi-stability. Finally, a super helical chain model (HWLC) allowing for spontaneous curvature and twist is developed which extends the WLC. When confined to 2-d, the HWLC can adopt a ground state which is circular or wavy with inflection points where twist accumulates, so-called twist-kinks. In the circular case there exist close metastable states, with a small number of twist-kinks, which are hyperflexible.

Tubulin, microtubules and associated proteins were studied theoretically, computationally and experimentally in vitro and in vivo in order to elucidate the possible role these play in cellular information processing and storage. Use of the electric dipole moment of tubulin as the basis for binary switches (biobits) in nanofabricated circuits was explored with surface plasmon resonance, refractometry and dielectric spectroscopy. The effects of burdening the microtubular cytoskeleton of olfactory associative memory neurons with excess microtubule associated protein TAU in Drosophila fruitflies were determined. To investigate whether tubulin may be used as the substrate for quantum computation as a bioqubit, suggestions for experimental detection of quantum coherence and entanglement among tubulin electric dipole moment states were developed.

La mise en conformation de l'α et β tubulines en hétérodimeres polymérisables nécessite l'intervention de cinq protéines " Tubulin Binding Cofactors " (TBCA a TBCE) dont TBCC qui joue un rôle indispensable. Dans des cellules humaines d'adénocarcinome mammaire, nous avons modifié le niveau d'expression de TBCC et nous avons montre que ceci avait un impact sur le contenu des fractions de tubuline, la dynamique des microtubules ainsi que sur le phénotype et chimiosensibilité des cellules. La distribution en cycle cellulaire et les durées de la mitose et de la phase S ont été altérées. La modification de TBCC avait un faible effet sur la vitesse de prolifération in vitro par contre les cellules présentaient des différences significatives de croissance tumorale in vivo. Les réponses aux agents antimicrotubulaires et à la gemcitabine ont montrées une chimiosensibilité dépendante de la distribution en cycle cellulaire. Tous ces résultats montrent l'importance de la régulation du contenu en tubulines et l'impact de ceci sur le comportement de la cellule en général et vis-à-vis des traitements.