Les GTPases Ral, RalA et RalB, sont des effecteurs proximaux de l’oncogène Ras.Malgré leur forte homologie, leurs activateurs communs (les RalGEFs) et des effecteurs communs (le complexe exocyste), ils apportent des contributions distinctes et parfois collaborent à diverses fonctions cellulaires.RalA est impliqué en prolifération en absence de substrat et l'exocytose polarisée.RalB est impliqué dans la migration cellulaire, l'autophagie et l'apoptose des cellules cancéreuses. Comment les GTPases Ral régulent ces différents fonctions n’est toujours pas connu.Une partie de ma thèse était consacrée à l'étude de la spécificité des fonctions de RalA et RalB, ainsi que la spécificité des RalGEFs et des éléments de l'interactome deRal, dans trois processus biologiques: la cytocinèse, la migration cellulaire et l'activation de la voie MAPK.Nous avons démontré que RalA et RalB ont des fonctions distinctes pendant la cytocinèse. RalA est nécessaire pour la correcte progression de la cytocinèse alors RalB est nécessaire pour l’abscission du pont intracellulaire. Nous avons montré également que RalA, mais pas RalB, régule l’activation de p38 et de Jnk à travers le complexe exocyste en réponse au stress osmotique. L'implication de RalB, mais pas RalA, dans la migration cellulaire a été établie antérieurement. Dans ces trois fonctions, nous avons montré que les GTPases Ral sont été régulées par des RalGEFs spécifiques.Nous avons effectué un crible par siARN de 91 gènes codant des protéines du réseau d’interactions protéine‐protéine autour de Ral (l'interactome de Ral), nous avons identifié 14 protéines impliquées dans la voie de RalA et 8 protéines impliquées dans la voie de RalB, en cytocinèse. Dans la migration cellulaire, nous avons identifié 22 protéines impliquées dans la voie de RalB. Nous avons identifié cinq protéines communes aux deux fonctions cellulaires.Parmi ces protéines, j'ai étudié la relation fonctionnelle entre RalA et Stk38, une kinase qui appartient à la voie Hippo, qui a un rôle suppresseur de tumeur. J'ai montré que RalA active Stk38 par une voie RalA/exocyste/Map4k4 en réponse au stress osmotique. J’ai démontré que cette voie est impliquée dans l’activation de la voie p38 et Jnk en réponse au stress osmotique. J'ai aussi montré que la régulation deStk38 par RalA est nécessaire pour l'apoptose induite par le TNFα.L'identification de nouveaux composants de la voie RalA ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension de la fonction des GTPases Ral dans les processus normaux et tumoraux. En outre, ce travail est le premier présentant RalA comme une protéine pro‐apoptotique, ce qui suggère que RalA pourrait posséder une fonction suppresseur de tumeurs. / The Ras‐like GTPases RalA and RalB are proximal effectors of oncogenic Ras.Despite their high homology, their common activators (the RalGEFs) and effectors(the exocyst complex), they make distinct and sometimes collaborative contributions to diverse cellular functions. RalA supports anchorage independent growth and regulates polarized exocytosis. RalB regulates cell migration and autophagy and inhibits apoptosis of cancer cells. How Ral GTPases achieve their differing functions is still elusive.One part of my thesis was dedicated to study the specificity of RalA and RalB functions, as well as the specificity of RalGEFs functions and of the components of the Ral interactome, in three biological processes: cytokinesis, cell migration and MAPK activation.We demonstrated that RalA and RalB have distinct functions during cytokinesis.RalA is necessary for correct progression of cytokinesis whereas RalB is necessary for abscission of the intracellular bridge. We showed also that RalA, but not RalB,regulates p38 and Jnk activation upon osmotic stress through the exocyst complex.The importance of RalB, but not RalA, in cell migration was established previously. In these three functions, we showed that the functions of Ral GTPases were triggered by specific RalGEFs.We carried out a siRNA screen of 91 genes encoding proteins participating to a protein‐protein interaction map rooted in Ral (the Ral interactome), we determined14 proteins as components of RalA pathway and 8 proteins as components of RalBpathway, required for cytokinesis completion. In cell migration, we determined 22 proteins as components of RalB pathway. We identified 5 proteins in common involved in both cellular functions.Among these proteins I have been studying the functional relationship betweenRalA and Stk38, a kinase that belongs to the tumour suppressor Hippo pathway. I showed that upon osmotic stress, RalA activates Stk38 by phosphorylation through aRalA/exocyst/Map4k4 pathway. I demonstrate that this pathway has the function to trigger p38 and Jnk activation upon osmotic stress. I showed that the regulation ofStk38 by RalA is required for apoptosis induced by TNFα.The identification of new components of Ral pathway opened new perspectives in understanding the Ral GTPases function in normal and tumour processes. Moreover,this is the first work presenting RalA as a pro‐apoptotic protein, suggesting that RalAmight have tumour‐suppressor like functions.

Les cellules sont organisées en tissus dont les propriétés physiques comme la rigidité et l'élasticité sont variables. La matrice extracellulaire (MEC) est produite et remodelée par les cellules qui s'adaptent en retour aux conditions physico-chimiques de cet environnement extracellulaire. Cela nécessite une communication bidirectionnelle entre la cellule et la matrice. Les intégrines sont des protéines transmembranaires impliquées dans l'adhérence, liant la MEC au cytosquelette d'actine via une plateforme protéique appelée adhérence focale, lieu d'une double signalisation (inside-out et outside-in). Des variations de tension intracellulaire imposées par l'environnement modifient la distribution et la taille de ces adhérences. Leur dynamique est aussi contrôlée par certaines protéines cytoplasmiques comme la protéine ICAP-1, partenaire de l'intégrine b1. En cherchant à comprendre le lien entre la tension interne et l'activation des intégrines, j'ai montré qu'ICAP-1 contrôle l'étalement, la contractilité interne et la migration cellulaire en présence comme en absence de l'intégrine b1, révélant un rôle ICAP-1 indépendant de son interaction avec l'intégrine b1. Ce contrôle semble passer par l'interaction ICAP-1/ROCK et a révélé un contrôle de l'intégrine b3 par l'intégrine b1. / The physical properties of cell tissues are variable and cells adapt their behaviour to the physical and chemical extracellular environment such as rigidity and composition of the extracellular matrix (ECM) which is produced and remodelled by cells. This implicates a bidirectionnal signalling between cells and the ECM. Integrins are transmembrane proteins involved in cell adhesion, linking the ECM to the actin cytoskeleton through adaptor proteins forming adhesion site called focal adhesion (FA) where take place an inside-out and an outside-in signallings. Intracellular tension can be controlled by extracellular cues, modifying the size and distribution of FA. FA dynamics is also regulated by cytoplasmic proteins such as ICAP-1 that interacts with b1 integrin. Looking for a better comprehension of the link between cell tension and integrin activation, I show that ICAP-1 controls cell spreading, cell contractility and cell migration both in presence or absence of b1 integrins meaning that ICAP-1 has an action without its interaction b1 integrin. This action seems to implicate the interaction between ICAP-1 and ROCK and revealed a control of b1 integrin on b3 integrin.

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L'adhésion et la migration des cellules jouent un rôle important dans de nombreux mécanismes cellulaires qui vont de la morphogenèse à la prolifération tumorale en passant par la réparation des tissus. Il est maintenant bien établi que l'environnement physique et mécanique des cellules a une grande influence sur de nombreuses fonctions cellulaires comme l'adhésion et la migration ainsi que sur leur devenir et donc leur différentiation. Pour contrôler les propriétés de l'environnement cellulaire, nous avons choisi de combiner des méthodes de micro-fabrication issues de la microélectronique aux techniques de biologie cellulaire et moléculaire. Nous nous sommes notamment intéressés à l'influence de la rigidité du support sur la migration cellulaire et les forces mécaniques exercées par les cellules, des fibroblastes, sur la matrice. Pour cela, nous avons utilisé un substrat constitué de micro-piliers flexibles, qui ont servi de micro-capteurs de force. Nous avons montré que les cellules employées adaptent les forces qu'elles exercent sur leur support à la rigidité de ce dernier. Nous avons ensuite étudié l'influence de la topographie du substrat sur la migration cellulaire. Nous avons pour cela également utilisé des micro-piliers, mais dont le diamètre est 5 à 10 fois supérieur aux précédents. Les cellules, en migrant, rencontrent donc alternativement des surfaces lisses et rugueuses. Nous avons montré que dans ces environnements, les cellules adoptent un comportement s'approchant de celui observé dans un gel tridimensionnel et que le noyau joue un rôle dans cette migration. Enfin, nous avons abordé l'étude de l'étalement cellulaire dans ces environnements texturés.

Les colloïdes utilisés sont des suspensions de nanoparticules magnétiques (nanocristaux d'oxyde de fer de 10 nm) chargées négativement en surface, qui s'adsorbent de façon aspécifique sur la membrane de la plupart des types cellulaires, où elles sont spontanément internalisées dans des vésicules intracellulaires. Les nouvelles propriétés magnétiques de cellules thérapeutiques ainsi marquées et implantées au sein de l'organisme permettent leur suivi in vivo de manière non-invasive par IRM. Nous avons ainsi pu suivre des cellules musculaires lisses dans un modèle d'anévrisme et des explants musculaires dans un modèle d'incontinence urinaire. Dans chaque cas, l'évolution des propriétés de contraste des cellules marquées au cours du temps a été étudiée in vitro et in vivo. Ce marquage magnétique nous a aussi permis de soumettre les cellules à des forces magnétiques et analyser leur influence sur la migration cellulaire in vitro et la faisabilité d'un guidage magnétique in vivo.

Bacillus anthracis est un bacille Gram positif dont le pouvoir pathogène repose essentiellement sur l'expression de gènes de virulence incluant deux toxines (la toxine létale (LT) et la toxine œdématogène (ET)) ; et la synthèse d'une capsule. Nous avons étudié la migration des différentes populations cellulaires du parenchyme pulmonaire chez la souris au cours d'une infection in vivo dans le but de comprendre les mécanismes cellulaires d'entrée du pathogène et tout particulièrement le passage de la barrière alvéolo-capillaire. L'analyse des différents compartiments cellulaires ciblés par l'infection montre que dès 10 minutes, les macrophages alvéolaires phagocytent les spores. A partir de 30 min après l'infection, les cellules dendritiques pulmonaires (DCpulm) parenchymateuses phagocytent des spores sans avoir migré dans les alvéoles. La migration de DCpulm infectées jusqu'aux ganglions lymphatiques est observée dès 30 min. Ces résultats démontrent la rapidité de l'infection pulmonaire pas des spores de B. anthracis. Nous avons ensuite étudié l'effet des toxines sur les DCpulm murines purifiées ex vivo, étude correspondant physiologiquement aux phases plus avancées de l'infection. Les résultats montrent qu'après infection avec des souches de B. anthracis exprimant LT, l'expression des marqueurs de co-stimulation et du CMH de classe II par les DCpulm est spécifiquement inhibée. De plus, les toxines, secrétées au cours de l'infection par B. anthracis, inhibent la sécrétion de cytokines par les DCpulm, désorganisant ainsi la réponse immunitaire et permettant l'évasion du pathogène.

Les protéines DOCK180 et ELMO coopèrent ensemble biochimiquement et génétiquement afin d’activer la GTPase Rac1 lors de plusieurs évènements biologiques. Toutefois, le rôle que jouent ces protéines dans la signalisation par Rac est encore mal compris. Nous émettons l’hypothèse que Dock180 agit comme activateur de Rac, alors que ELMO est requis pour l’intégration de la signalisation de Rac plutôt que son activation per se. Nous postulons que ELMO agit comme signal de localisation intracellulaire afin de restreindre de façon spatio-temporelle la signalisation de Rac en aval de Dock180, et/ou que ELMO agit comme protéine d’échafaudage entre Rac et ses effecteurs pour amplifier la migration cellulaire. Dans l’objectif nº 1, nous démontrons que le domaine PH atypique de ELMO1 est le site d’interaction principal entre cette protéine et DOCK180. De plus, nous démontrons que la liaison entre ELMO et DOCK180 n’est pas nécessaire pour l’activation de Rac, mais est plutôt essentielle pour faciliter la réorganisation du cytosquelette induite par l’activation de Rac en aval de Dock180. Ces résultats impliquent que ELMO pourrait jouer des rôles additionnels dans la signalisation par Rac. Dans l’objectif nº 2, nous avons découvert l’existence d’une homologie structurelle entre ELMO et un module d’autorégulation de la formine Dia1, et avons identifié trois nouveaux domaines dans la protéine ELMO : les domaines RBD, EID et EAD. De façon analogue à Dia1, nous avons découvert que ELMO à l’état basal est autoinhibé grâce à des intéractions intramoléculaires. Nous proposons que l’état d’activation des protéines ELMO est régulé de façon similaire aux formines de la famille Dia, c’est-à-dire grâce à des interactions avec d’autres protéines. Dans l’objectif nº 3, nous identifions un domaine RBD polyvalent chez ELMO. Ce domaine possède une double spécificité pour les GTPases de la famille Rho et Arf. Nous avons découvert que Arl4A agit comme signal de recrutement membranaire pour le module ELMO/DOCK180/Rac. Nos résultats nous permettent de supposer que d’autres GTPases pourraient être impliquées dans l’activation et la localisation de cette voie de signalisation. Nous concluons qu’à l’état basal, ELMO et DOCK180 forment un complexe dans lequel ELMO est dans sa conformation autoinhibée. Bien que le mécanisme d’activation de ELMO ne soit pas encore bien compris, nous avons découvert que, lorsqu’il y a stimulation cellulaire, certaines GTPases liées au GTP peuvent intéragir avec le domaine RBD de ELMO pour relâcher les contacts intramoléculaires et/ou localiser le complexe à la membrane. Ainsi, les GTPases peuvent servir d’ancrage au complexe ELMO/DOCK180 pour assurer une regulation spatiotemporelle adequate de l’activation et de la signalisation de Rac. / DOCK180 and ELMO cooperate biochemically and genetically to activate Rac in several biological events. However, the role of these proteins in Rac signaling is still poorly understood. We hypothesize that DOCK180 functions as a RacGEF, with ELMO binding to DOCK180 being required for integration of proper Rac signaling rather than Rac activation per se. We postulate that ELMO acts as a subcellular targeting signal for spatio-temporal restriction of DOCK180-mediated Rac signaling and/or as a scaffold for Rac effectors to enforce cell migration. In Aim #1, we elucidate that the atypical ELMO1 PH is the major DOCK180 binding site. We demonstrate that the binding of ELMO1 to DOCK180 is not necessary for Rac GTP-loading, but is instead required to facilitate Rac-GTP induced cytoskeletal changes following DOCK180 activation. These results imply additional roles for ELMO in mediating Rac signaling. In Aim #2, we reveal structural homology between ELMO and an autoregulatory module in the formin, Dia1, and identify three novel domains in ELMOs: the RBD, EID and EAD. Analogous to Dia1, we uncovered that ELMO is autoinhibited via intramolecular interactions at basal state. We propose that the activation state of ELMO proteins is regulated, much like in Dia-family formins, via interaction with other proteins. Aim #3 identifies a polyvalent RBD in ELMO with dual specificity for Rho and Arf family GTPases. We found Arl4A as a novel membrane recruitment signal for the ELMO/DOCK180/Rac module. Our results may have broad implications in the activation and localization of this pathway by additional GTPases. We conclude that, at basal levels, ELMO/DOCK180 is complexed, with ELMO in an autoinhibited state in the cytosol. Through cell stimulation, certain GTPases will be activated that now bind the ELMO RBD and alleviate the intramolecular contacts. In this way, the GTPase anchors the activated ELMO/DOCK180 module in place for proper spatio-temporal regulation of Rac activation and signaling.

Les protéines eucaryotes Elmo (Engulfment and Cell Motility) forment une famille de régulateurs conservés qui jouent un rôle central dans les processus biologiques reposant sur le remodelage du cytosquelette d'actine comme la phagocytose et la migration cellulaire et régulé par les GTPases de la famille Rho. Les protéines Elmo régulent la fonction des protéines Dock (Downstream of Crk), qui sont des Facteurs d'Echange de Guanine (GEF) atypiques pour les GTPases Rac1 et Cdc42. Le mécanisme de régulation connu à ce jour, repose sur l'interaction entre les 200 résidus C-terminaux d'Elmo et les 180 premiers résidus N-terminaux de Dock. Cependant, le rôle précis des différents domaines et motifs identifiés dans ces régions n'est pas encore défini. En effet, les données fonctionnelles, biochimiques et structurales rapportées à ce jour semblent contradictoires quant à la contribution de l'extrémité C-terminale d'Elmo qui comprend un motif polyproline et le domaine SH3 N-terminal de Dock. Nous avons donc étudié la contribution de l'extrémité C-terminale de Elmo1 à l'interaction entre Elmo1 et le domaine SH3 de Dock1 en utilisant notamment la résonance plasmonique de surface. Nos données démontrent la capacité du domaine SH3 de Dock1 à interagir avec Elmo1, indépendamment de l'extrémité C-terminale contenant le motif polyproline. Toutefois, la présence de cette région conduit à une augmentation significative du temps de demi-vie du complexe Elmo1/Dock1. En parallèle, des expériences de diffusion des rayons X aux petits angles nous ont permis de déterminer des enveloppes tridimensionnelles de la protéine Elmo1. Ces données nous permettent ainsi de proposer un premier modèle à basse résolution dans lequel nous localisons les parties N et C-terminales de Elmo1. De façon surprenante cette étude semble indiquer un changement de conformation de la région N-terminale de Elmo1 ainsi qu'une interaction possible de cette même région avec le domaine SH3 de Dock1.

Il a été mis en évidence que le canal SK3 est un médiateur de la migration de cellules cancéreuses mammaires, une propriété essentielle à la formation de métastases. Par ailleurs, ce canal est inhibé par l’édelfosine, un éther-lipide ayant des propriétés anti-tumorales in vitro mais son usage en clinique a été abandonné en raison d’effets secondaires. Une première partie de ce travail a permis de déterminer les parties de l’édelfosine nécessaires à l’inhibition du canal SK3 et de la migration cellulaire. Ceci nous a permis de sélectionner l’Ohmline (1-O-Hexadécyl-2-O-Méthyl-sn-glycéro-lactose), un analogue non toxique de l’édelfosine qui conserve son activité inhibitrice de SK3 et de la migration. Dans un deuxième temps, nous avons testé ce lipide dans un modèle murin de développement tumoral et nous avons montré qu’il réduisait le développement des métastases sans modifier la tumeur primaire. En conclusion, nous avons décrit l’Ohmline qui est le premier inhibiteur lipidique de SK3 et qui pourrait devenir le premier membre d’une famille de composés lipidiques inhibiteurs de la formation de métastases. / It has been shown that SK3 channel was a mediator of breast cancer cells migration, a fundamental property for metastasis formation. In addition, edelfosine inhibits SK3 channel. This ether-lipid owns a high anti cancerous potential in vitro but its clinical use was hampered by some side effects, Firstly, we showed the structural parts of edelfosine required for SK3 channel inhibition and cell motility inhibition. Moreover, we selected Ohmline (1-O-Hexadécyl-2-O-Méthyl-sn-glycéro-lactose), an edlefosine’s analogue that preserves SK3 channel and motility inhibitory properties. Secondly, we evaluated this lipid on tumor development in nude mice model. We showed that this lipid reduces metastasis formation without effect on primary tumor. To conclude, we described Ohmline, the first lipid inhibitor of SK3. This compound should become the first member of a new family of metastasis lipid inhibitors.

Le récepteur-canal P2X7 est fortement exprimé et est fonctionnel dans la lignée de cellules cancéreuses mammaires humaines hautement invasives MDA-MB-435s. L’activation de P2X7 par l’ATP extracellulaire est responsable de l'émission des prolongements cellulaires et l'augmentation de la migration cellulaire. En outre, l’activation de P2X7 augmente l’invasion cellulaire à travers la matrice extracellulaire et fait intervenir la libération de forme mature de cathepsines à cystéine dans le milieu extracellulaire. L’inhibition pharmacologique de P2X7 diminue l’invasivité des cellules cancéreuses dans un modèle de micrométastases chez le poisson zèbre. Nous avons également montré que l’émodine (1,3,8-trihydroxy-6-méthylanthraquinone) une anthraquinone isolée de Rheum officinale Baill (Rhubarbe chinoise) inhibe l’invasivité des cellules cancéreuses humaines via l’antagonisme de P2X7 et n’as pas d’effet sur les autres récepteurs P2X. Nos résultats démontrent un nouveau mécanisme entre la fonctionnalité de P2X7 dans les cellules cancéreuses et l’invasivité cellulaire, un paramètre clé dans la croissance tumorale et le développement des métastases. Ceci suggère également un rôle thérapeutique potentiel pour les antagonistes des P2X7. / P2X7 receptor channel is highly expressed and fully functional in the highly invasive human breast cancer cell line MDA-MB-435s. Its activation by extracellular ATP is responsible for the extension of neurite-like cellular prolongations, and the increase in cell migration. Furthermore, P2X7 activation enhanced invasion through the extracellular matrix and was related to the increase of mature forms of cysteine cathepsins in the extracellular medium. Pharmacological targeting of P2X7 decreases cancer cell invasiveness in a zebrafish model of micrometastases. We also showed that emodin (1,3,8-trihydroxy-6-methylanthraquinone) an anthraquinone derivative originally isolated from Rheum officinale Baill (Chinese Rhubarb) inhibits human cancer cell invasiveness by specifically antagonizing the P2X7 and not the other members of the P2X family. Our results demonstrate a novel mechanistic link between P2X7 functionality in cancer cells and invasiveness, a key parameter in tumour growth and in the development of metastases. These results also suggest a potential therapeutic role for the newly developed P2X7 antagonists.