Expanded polyglutamine proteins are known to be the causative agents of a number of human neurodegenerative diseases but the molecular basis of their cytoxicity is still poorly understood. Polyglutamine tracts may impede the activity of the proteasome, and evidence from single cell imaging suggests that the sequestration of polyglutamine proteins into inclusion bodies can reduce the proteasomal burden and promote cell survival, at least in the short term. The presence of misfolded protein also leads to activation of stress kinases such as p38MAPK, which can be cytotoxic. The relationships of these systems are not well understood. We have used fluorescent reporter systems imaged in living cells, and stochastic computer modeling to explore the relationships of expanded polyglutamine proteins, p38MAPK activation, generation of reactive oxygen species (ROS), proteasome inhibition, and inclusion body formation. In cells expressing a polyglutamine protein, inclusion body formation was preceded by proteasome inhibition but cytotoxicity was greatly reduced by administration of a p38MAPK inhibitor. Computer simulations suggested that without the generation of ROS, the proteasome inhibition and activation of p38MAPK would have significantly reduced toxicity. Our data suggest a vicious cycle of stress kinase activation and proteasome inhibition that is ultimately lethal to cells. There was close agreement between experimental data and the predictions of a stochastic computer model, supporting a central role for proteasome inhibition and p38MAPK activation in inclusion body formation and ROS-mediated cell death.

La thérapie cellulaire représente une alternative intéressante aux approchespharmacologiques dans le cadre de certaines pathologies comme les dystrophiesneuromusculaires ou l’ischémie du myocarde. La transplantation de précurseurs adultes deces tissus peut améliorer ces pathologies. Toutefois, le faible nombre de ces précurseursdans l’organisme et la difficulté de leur culture et expansion in vitro sont des facteurslimitants. Grâce à leurs propriétés spécifiques, les cellules souches embryonnaires (ES)constituent une source alternative pour la thérapie cellulaire. Cependant, leur efficacité dedifférenciation dans un lignage donné doit être finement contrôlée avant de pouvoir lesutiliser avec succès.Afin de mieux connaître le potentiel thérapeutique des cellules dérivées de cellulesES, il est essentiel de caractériser les mécanismes moléculaires qui engagent les cellules ESvers différents lignages. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la voie designalisation p38MAPK, qui est largement impliquée dans la différenciation cellulaire et lasurvie cellulaire. Nous avons plus précisement étudié l’implication de p38MAPK au coursdes différenciations endothéliale, du muscle lisse et du muscle squelettique.Nous avons mis en évidence que les cellules ES p38!-/- ne se différencient plus encellules endothéliales, en cellules du muscle lisse et en cellules du muscle squelettique. Laré-expression de p38MAPK dans ces cellules restaure partiellement les différenciationsdérivées du mésoderme (les différenciations endothéliale, du muscle lisse,cardiomyocytaire et de muscle squelettique). Parallèlement grâce à une inhibitionspécifique de la voie p38MAPK au cours de la différenciation des cellules ES, nous avonsmontré que la voie p38MAPK agit via deux mécanismes moléculaires distincts successifspour réguler la différenciation mésodermique des cellules ES. Le premier mécanisme estcorrèlé à l’expression de Brachyury, un marqueur précoce du mésoderme, alors que lesecond mécanisme est indépendant de Brachyury.Nous avons ensuite poursuivi l’étude de l’implication de p38MAPK dans lamyogénèse des cellules ES et nous avons pu mettre en évidence que p38MAPK estnécessaire à la fois pour l’engagement précoce et la différenciation terminale des cellulesmusculaires.En combinant des approches biochimiques et génétiques, nous avons démontré que lavoie de signalisation p38MAPK est nécessaire très précocement à la différenciation deslignages issus du mésoderme.Ces résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculairesimpliqués dans la différenciation des cellules ES, ce qui constitue une étape préalable ausuccés de futures thérapies cellulaires. / Embryonic stem (ES) cells give rise, in vivo, to all of the three germ layers and, invitro, to differentiate into a broad variety of cell lineages which opens up largeperspectives in regenerative medicine. We previously found that the p38MAPKpathway controls the commitment of ES cells toward either cardiomyogenesis (p38on) or neurogenesis (p38 off ). In this study, we show that p38a knock-out ES cellsdo not differentiate into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal musclelineages. Reexpression of p38MAPK in these cells partially rescues theirmesodermal differentiation defects and corrects the high level of spontaneousneurogenesis of knock-out cells. Wild-type ES cells were treated with a p38MAPKspecificinhibitor during the differentiation process. These experiments allowed us toidentify 2 early independent successive p38MAPK functions in the formation ofmesodermal lineages. Further, the first one correlates with the regulation of theexpression of Brachyury, an essential mesodermal-specific transcription factor, byp38MAPK. Moreover, we also showed that p38MAPK is required for the late stageskeletal muscle differentiation. In conclusion, by genetic and biochemicalapproaches, we demonstrate that p38MAPK activity is essential for the commitmentof ES cell into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal muscle mesodermallineages.

L’angiopoietin-like 2 (angptl2) est une glycoprotéine de 64 kDa pro-inflammatoire et pro-athérogénique associée à divers maladies inflammatoires chroniques. Il est probable que l’angptl2 possède également un effet pro-oxydant, puisqu’elle stimule la production aigüe de dérivés réactifs oxygénés (DRO). Le facteur de transcription « nuclear factor (erythroidderived 2)-like 2 » (Nrf2) fait partie d’un mécanisme antioxydant majeur permettant de maintenir l’équilibre redox via l’induction de plusieurs gènes de l’élément de réponse antioxydante (ERA). En présence de DRO, la protéine Keap-1 se dissocie de Nrf2 et cesse de promouvoir sa dégradation protéasomale. Cette dissociation est stimulée par la protéine DJ-1 qui favorise la translocation nucléaire de Nrf2. La p38MAPK peut phosphoryler Nrf2 et promouvoir son interaction avec Keap-1. Nous avons posé l’hypothèse selon laquelle l’angptl2 causait un stress oxydant chronique, d’abord en stimulant en aigu la production de DRO, puis en inhibant la voie antioxydante Nrf2. Nous avons étudié, par immunobuvardage de type Western sur des cellules endothéliales en culture (HUVEC), les effets de l’angptl2 recombinante (100 nM) sur les niveaux protéiques nucléaires de Nrf2, les niveaux de Keap-1 dans le cytosol et de DJ-1 dans le noyau, en absence et en présence de l’antioxydant NAC (10 μM). Nous avons également étudié l’activation de la p38MAPK. Les niveaux nucléaires de Nrf2 n’ont pas été affectés par la stimulation aigüe (10 min) à l’angptl2 recombinante, mais ont été diminués par la stimulation chronique (24 h). L’ajout d’un agent antioxydant n’a pas altéré l’effet chronique, indiquant que les DRO ne sont pas directement impliqués. Les niveaux protéiques cytosoliques de Keap-1, protéine inhibitrice de Nrf2, et les niveaux nucléaires de DJ-1, protéine stabilisatrice de Nrf2, n’ont pas été affectés par l’angptl2 de manière significative. La phosphorylation de la p38MAPK n’a pas été non plus affectée par la stimulation aigüe ou chronique à l’angptl2. Ces données suggèrent que l’angptl2 n’a pas d’effet aigu, mais a un effet chronique inhibiteur sur la voie Nrf2, qui n’est pas associé à un effet sur Keap-1, DJ-1 ou p38MAPK. / Angiopoietin-like 2 (angptl2) is a 64 kDa pro-inflammatory and pro-atherogenic glycoprotein associated with various chronic inflammatory diseases. It is likely that angptl2 also has a pro-oxidant property, since it stimulates the acute production of reactive oxygen species (ROS). The transcription factor nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) constitutes a major antioxidant mechanism, responsible for maintaining redox balance within the cell via the induction of various genes composing the antioxidant response element (ARE). In the presence of ROS, cytosolic protein Keap-1 dissociates from Nrf2 and is thus no longer able to target Nrf2 for proteasomal degradation. The interaction between Nrf2 and Keap-1 is inhibited by DJ-1, another regulator of Nrf2, but is favoured by phosphorylation of Nrf2 by p38MAPK. Our hypothesis was that angptl2 caused a chronic oxidative stress, at first by stimulating an acute ROS production, and later by inhibiting the Nrf2 antioxidant pathway. We studied, by Western Blot on cultured endothelial cells (HUVEC), the effects of recombinant angptl2 (100 nM) on nuclear protein levels of Nrf2, as well as cytosolic levels of Keap-1 and nuclear levels of DJ-1 in the absence and presence of the antioxidant NAC (10 μM). We also measured the activation of p38MAPK in response to angptl2 stimulation. Nuclear protein levels of Nrf2 were not affected by acute simulation (10 min) by recombinant angptl2, but were diminished after chronic stimulation (24 h). The addition of an antioxidant did not alter angptl2’s chronic effect on Nrf2, indicating that ROS were not directly implicated. Cytosolic levels of Keap-1 and nuclear levels of DJ-1 were not significantly affected by angptl2. Similarly, angptl2 did not affect p38MAPK phosphorylation. These data suggest that angptl2 has no acute effect on Nrf2, but has an inhibitory chronic effect, which is not likely to involve Keap-1, DJ-1 or p38MAPK.

Les récepteurs nucléaires de l’acide rétinoïque (AR) appelés RAR, se comportent comme des facteurs de transcription inductibles par le ligand. La transcription des gènes cibles induite par l’AR, nécessite la fixation des RAR au niveau de séquences spécifiques des promoteurs et met en jeu des changements conformationnels des récepteurs qui contrôlent l’association/dissociation de toute une panoplie de corégulateurs. Cependant, en plus de ce modèle génomique et nucléaire bien établi, l’équipe du Dr Cécile Rochette-Egly a montré récemment que l’AR a aussi des effets non-génomiques et induit rapidement la voie de signalisation p38MAPK/MSK1 qui ensuite cible les RAR pour des cascades de phosphorylations et module la transcription des gènes cibles. Pendant mon travail de thèse, j’ai mis en exergue trois nouveaux concepts originaux du mécanisme d’action du sous-type RARα. J’ai montré qu’une sous-population de RARα est présente dans des microdomaines membranaires, les radeaux lipiques ou “lipid rafts”où elle interagit avec les protéines Gαq. Cette interaction est le signal des effets non génomiques de l’AR, l’activation de la voie de la p38MAPK. Ces effets ont été corrélés à l’activité des gènes cibles de l’AR, prouvant ainsi leur nécessité. J’ai identifié un nouveau partenaire de RARα, la profiline IIA. J’ai analysé le mécanisme moléculaire de l’interaction et démontré qu’elle a lieu dans le noyau. La profiline IIA s’est révélée être un régulateur des effects génomiques de RARα et est recrutée avec RARα au niveau des promoteurs des gènes cibles. Finalement j’ai mis en évidence une nouvelle fonction de RARα dans le contrôle de l’adhésion et de l’étalement des cellules. D’où l’hypothèse de nouveaux effets génomiques de RARα avec la profiline IIA dans le contrôle de l‘expression des protéines d’adhésion. Cependant, de manière inattendue, j ‘ai identifié une nouvelle population de RARα dans le cytoplasme de ces cellules. D’où l’hypothèse de nouveaux effets non génomiques dans le cytoplasme, via l’interaction de RARα avec des protéines d’adhésion. / Nuclear retinoic acid (RA) receptors (RARs) are ligand-dependent regulators of transcription. Their transcriptional activity relies mainly on their recruitment to specific DNA response elements and on their interactions with several coregulators at the ligand-binding domain. In addition to these classical genomic effects, the team of C. Rochette-Egly demonstrated that RA also induces the rapid activation of the p38MAPK/MSK1 pathway with characteristic downstream consequences on thephosphorylation of RARs and the expression of their target genes. Here I highlighted three novel paradigms in the field of the RARα subtype. I found that a fraction of the cellular RARα pool is present in membrane lipid rafts, where it interacts with G protein alpha Q in response to RA. This interaction is the signal for nongenomic effects, i.e. the activation of p38MAPK and of the downstream kinase MSK1. These effects have been correlated to the activation of RA-target genes, highlighting its physiological relevance. I identified a new binding partner of RARα, profilin IIA. I deciphered the mechanism of the interaction and found that it occurs in nuclei. Remarkably, profilin IIA modulates positively the genomic effects of RARα and is recruited with RARα to target genes promoters. Finally, in an attempt to decipher the relevance of the RARα interaction with profilin IIA, I found that RARα controls cell adhesion and spreading. This might suggest a novel genomic functionof RARα and profiling in the control of the expression of genes involved in adhesion. However, preliminary experiments indicate that a pool of RARα is present in the cytosol, suggesting also novel nongenomic effects. Whether RARα controls adhesion via its interaction in the cytosol proteins involved in adhesion will require further investigations.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les récepteurs nucléaires de l'acide rétinoïque (AR) appelés RAR, se comportent comme des facteurs de transcription inductibles par le ligand. La transcription des gènes cibles induite par l'AR, nécessite la fixation des RAR au niveau de séquences spécifiques des promoteurs et met en jeu des changements conformationnels des récepteurs qui contrôlent l'association/dissociation de toute une panoplie de corégulateurs. Cependant, en plus de ce modèle génomique et nucléaire bien établi, l'équipe du Dr Cécile Rochette-Egly a montré récemment que l'AR a aussi des effets non-génomiques et induit rapidement la voie de signalisation p38MAPK/MSK1 qui ensuite cible les RAR pour des cascades de phosphorylations et module la transcription des gènes cibles. Pendant mon travail de thèse, j'ai mis en exergue trois nouveaux concepts originaux du mécanisme d'action du sous-type RARα. J'ai montré qu'une sous-population de RARα est présente dans des microdomaines membranaires, les radeaux lipiques ou "lipid rafts"où elle interagit avec les protéines Gαq. Cette interaction est le signal des effets non génomiques de l'AR, l'activation de la voie de la p38MAPK. Ces effets ont été corrélés à l'activité des gènes cibles de l'AR, prouvant ainsi leur nécessité. J'ai identifié un nouveau partenaire de RARα, la profiline IIA. J'ai analysé le mécanisme moléculaire de l'interaction et démontré qu'elle a lieu dans le noyau. La profiline IIA s'est révélée être un régulateur des effects génomiques de RARα et est recrutée avec RARα au niveau des promoteurs des gènes cibles. Finalement j'ai mis en évidence une nouvelle fonction de RARα dans le contrôle de l'adhésion et de l'étalement des cellules. D'où l'hypothèse de nouveaux effets génomiques de RARα avec la profiline IIA dans le contrôle de l'expression des protéines d'adhésion. Cependant, de manière inattendue, j 'ai identifié une nouvelle population de RARα dans le cytoplasme de ces cellules. D'où l'hypothèse de nouveaux effets non génomiques dans le cytoplasme, via l'interaction de RARα avec des protéines d'adhésion.

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DNA damage response (DDR) represents a vital signaling network that protects genome integrity and prevents development of cancer. Therefore the study of DDR is of a crucial clinical importance and DDR proteins are promising therapeu- tic targets. Although the great advances have been made mapping out interac- tions between individual DDR proteins, better understanding of complex behav- ior of this network is still needed. One approach, which might help us in this task, is to describe the dynamics of key proteins under different conditions. The first objective of this study was to investigate whether the temporal dynamics of selected DDR proteins differ upon different genotoxic insults, particularly upon γ- irradiation and UV-C irradiation. We showed that under certain insult some DDR proteins exhibit a monotone continuous activation pulse, while the activation of others triggers a series of pulses. We observed a previously described pulsative dynamics of p53 after γ-irradiation in MCF7 cells. Interestingly, we detected a monotone increase of p53 in U2OS after γ-irradiation and similar dynamics upon UV-C irradiation. We suggest that p53 dynamics depends on the presence or ab- sence of effective negative feedback loops between the upstream p53-activating kinases and Wip1 phosphatase. In the second...

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