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.

Die muskelspezifischen RING-Finger Ubiquitin E3 Ligasen MuRF1, MuRF2 und MuRF3 werden mit verschiedenen zellulären Prozessen in Verbindung gebracht. MuRF1 und MuRF3 beteiligen sich am Abbau mehrerer Muskelstrukturproteine über das Ubiquitin Proteasom System (UPS) und spielen somit eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Skelett- und Herzmuskelstruktur und -funktion. MuRF1 wurde als Atrophie-Marker identifiziert, da seine Expression während der Muskelatrophie ansteigt, und MuRF2 und MuRF3 wirken bei der Stabilisierung von Mikrotubuli und Differenzierung von Myozyten mit. Dennoch sind bisher viele Aspekte der Funktion von MuRF-Proteinen ungeklärt. Die Domänenstruktur der MuRF-Proteine zeigt mehrere hochkonservierte Domänen, die sich an Protein-Protein Interaktionen beteiligen. Die Identifizierung und Charakterisierung ihres Interaktoms ermöglicht ein besseres Verständnis ihrer Funktionen. Aus diesem Grund wurden quantitative massenspektrometrische Analysen durchgeführt, um neue Interaktionspartner und Substrate für MuRF1, 2 und 3 zu identifizieren. Sorting nexin 5 (SNX5), eine Untereinheit des Retromers in Säugetieren, wurde als Interaktionspartner von MuRF3 identifiziert. SNX5, das eine wichtige Rolle in subzellulären Transport-Signalwegen spielt, interagierte über seine BAR-Domäne mit MuRF3. SNX5 und MuRF3 co-lokalisierten und assoziierten mit vesikulären Strukturen des subzellulären Transport-Signalweges. SNX5 wurde außerdem als Substrat von MuRF2 identifiziert. MuRF2 band und ubiquitinierte SNX5 in vivo und vermittelte damit dessen Abbau über das UPS. MuRF3 stabilisierte SNX5 durch die Inhibierung dieses Abbaus. Somit konnten MuRF2 und MuRF3 mit einem in subzellulärem Transport aktiven Protein in Verbindung gebracht werden, das direkt mit Mikrotubuli assoziiert und funktionell von einem stabilen Mikrotubuli-Netzwerk abhängig ist. Dies legt eine mögliche regulatorische Rolle von MuRF2 und MuRF3 in Mikrotubuli-abhängigen subzellulären Transportwegen nahe. / Muscle specific RING-Finger ubiquitin E3 ligases MuRF1, MuRF2 and MuRF3 have been implicated in several cellular functions. MuRF1 and MuRF3 have been shown to bind and degrade muscle contractile and structural proteins via the ubiquitin proteasome system (UPS), thus playing an important role in the maintenance of skeletal and cardiac muscle structure and function. MuRF1 is considered an atrophy marker since its expression increases during muscle atrophy. MuRF2 and MuRF3 are involved in myocyte differentiation and both bind to and stabilize microtubules. Nevertheless, many aspects of the functions of the MuRF-family are unknown. The domain structure of the MuRF family implicates several highly conserved domains involved in protein-protein interaction. Accordingly, one way to better understand the role of MuRF proteins in myocyte function and protein homeostasis is to identify and characterize their interactome. Therefore, quantitative mass spectrometric analysis was used to identify novel interaction partners and target proteins of MuRF1, 2 and 3. Sorting nexin 5 (SNX5), a mammalian retromer subunit which plays an important role in subcellular trafficking pathways, was identified as a novel interaction partner of MuRF3, with which it interacted via its Bin/Amphiphysin/Rvs (BAR)-domain. SNX5 and MuRF3 co-localized and associated with early endosomes, connecting the microtubule-binding MuRF3 to structures of subcellular trafficking pathway. SNX5 was also identified as a substrate of MuRF2, which interacted with and ubiquitinated SNX5 in vivo, mediating its degradation in a UPS-dependent manner. This MuRF2-mediated degradation was inhibited by MuRF3, which stabilized SNX5. Thus, MuRF2 and MuRF3 were linked to a subcellular trafficking protein, SNX5, which is directly associated with microtubules and functionally dependent on a stable microtubule network, suggesting a possible regulatory role of MuRF2 and MuRF3 in microtubule-dependent subcellular trafficking pathways.

F-Aktin spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der endothelialen Barrierefunktion. In dieser Arbeit verwendeten wir Colchicin, Vinca-Alkaloide (Vinblastin, Vincristin) und Paclitaxel um Mikrotubulussysteme (MT) auszulenken und den Effekt auf die Permeabilität zu untersuchen. Endothelzellen wurden auf Polycarbonatfiltermembranen gepflanzt und einem kontinuierlichen hydrostatischen Druck von 10 cm H2O ausgesetzt. Die Exposition von Endothelzell-Monolayern gegenüber Colchicin und Vinca-Alkaloiden führte innerhalb von 60 100 Minuten zeit- und dosisabhängig zu einem fünf zehnfachen Anstieg der hydraulischen Konduktivität. Dagegen war nach MT-Stabilisation durch Paclitaxel keine Permeabilitätszunahme festzustellen. Doppelimmunfluoreszenz-Mikroskopie zeigte, dass die MT-Depolymerisation durch Colchicin und Vinca Alkaloide zu F-Aktin-Umverteilung, Stressfaserbildung und Zellretraktionen mit ausgeprägter parazellulärer Lücken-Bildung führt. Diese Phänomene wurden durch Kombinationen von Vinblastin und Paclitaxel deutlich abgeschwächt. Die fluorometrische Messung des intrazellulären F-Aktins nach MT-Depolymerisation durch Vinblastin resultierte in einer signifikanten Zunahme der Aktinfilamente. Auf der anderen Seite resultierte F-Aktin Abbau durch Cytochalasin D und Clostridium difficile (TcdB-10463) morphologisch nicht in einer Veränderung von MT-Strukturen. Dabei zeigten in Interzellularbrücken gelegene MT-Filamente Kolokalisation mit F-Aktin Fragmenten. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass MT-Systeme an der Regulation der endothelialen Barriere beteiligt sind. Darüber hinaus verdeutlichen die Resultate eine enge Bindung von MT- und Aktin-Filamenten innerhalb endothelzellulärer Adhäsionskontakte. / The endothelian cytosceleton plays an important role in the regulation of endothelial permeability via cellular actin filaments. We tested the effect of agents known to perturb cellular microtubules on the permeability of endothelial cell monolayers. The agents chosen were colchicine, the vinca alkaloids vinblastine and vincristine and paclitaxel. Cell monolayers were prepared on polycarbonate filter membranes and exposed to a continuous hydrostatic pressure of 10 cm H2O. Colchicine and the vinca alkaloids caused a five to tenfold increase in the hydraulic conductivity of the monolayers within 60 100 min. The effect was dose and time dependent. The microtubule stabilizer paclitaxel caused no increase in permeability. Double-immunofluorescence microscopy showed that microtubule depolymerisation was associated with certain morphological features such as inter-endothelial gaps, cell retraction, f-actin reorganisation and some stressfibre appearance. These phenomena were significantly reduced when vinblastine and paclitaxel were combined. Measurement of intracellular f-actin following microtubule inhibition with vinblastine showed a significant increase in endothelial actin filaments. No changes in microtubule structures were seen when actin filaments were perturbed with cytochalasin D and Clostridium difficile (TcdB-10463). However, in this case the intercellular bridges showed that microtubules were co-localised with fragments of actin filaments from neighbouring cells. Our data demonstrate that microtubules are important for the regulation of endothelial permeability. Moreover, our results support evidens of binding between microtubules and actin filaments within endothelial cell adhesion contacts.

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.

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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.