Les ostéoclastes (OCs) sont responsables de la résorption de l’os normal. La différenciation, la maturation et la survie de ces cellules sont principalement stimulées par RANKL. Ces phénomènes se produisent dans les suites de l’interaction de RANKL avec son récepteur RANK situé à la surface de l’OC, via la transduction de signaux intracellulaires conduisant à l’activation de différentes cascades de signalisation. Les principaux facteurs de transcription induits par cette signalisation sont NF-?B et NFATc1, qui modulent l’expression de gènes d’importance majeure pour le bon fonctionnement des OCs. Dans la maladie de Paget, caractérisée par une augmentation multifocale du remodelage osseux avec hyperrésorption osseuse, les OCs ont une morphologie anormale, ils sont résistants à l’apoptose et leur activité est augmentée. Des mutations du gène codant pour la protéine p62 (séquestosome 1 ) ont été décrites dans cette maladie, identifiant p62 comme un facteur important de la signalisation de l’OC. Des travaux de notre laboratoire ont montré une augmentation de l’activation de NF-?B induite par RANKL dans les OCs pagétiques, avec même une activité constitutive de NF-?B en présence de la mutation p62 p.P392L. Notre étude a évalué l’expression et l’activation de NFATc1, et le rôle de PKC[C zêta] dans la signalisation NFATc1, cette kinase appartenant au complexe de signalisation TRAF6/p62 induit par RANKL. En culture primaire, des monocytes de sang périphérique de patients pagétiques et de contrôles (tous génotypés pour la mutation p62) ont été différenciés en OCs matures en présence de RANKL et M-CSF. Nous avons évalué l’effet de RANKL sur l’activation de NFATc1 (translocation nucléaire évaluée par immunofluorescence), en présence ou non d'un inhibiteur de PKC[C zêta], ainsi que l’expression protéique (immunobuvardage) et ARNm (RTPCR quantitative). Nous avons observé que RANKL stimulait l’activation de NFATcl dans les OCs pagétiques, porteurs ou non de la mutation p62 p.P392L, et que PKC[C zêta] intervenait dans cette signalisation. Dans un modèle de différenciation OC à partir de monocytes foetaux, nous avons par ailleurs mis au point l’étude de l’activation de NFATc1 par essai luciférase, et les conditions optimales pour évaluer son expression protéique et génique. Nos résultats démontrent pour la première fois dans des OCs humains que RANKL stimule l’activation et l’expression de NFATc1, et que l’activation de NFATc1 est augmentée dans les OCs pagétiques. De manière tout à fait originale, nous montrons également que la PKC[C zêta] contribue à l’activation de NFATc1. [symboles non conformes]

Thesis (Ph. D.)--Auburn University, 2008. / Abstract. Vita. Includes bibliographical references.

Thesis(M.S.)--Auburn University, 2006. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references.

Yes / Topoisomerase1 (TOP1)-mediated chromosomal breaks are endogenous sources of DNA damage that affect neuronal genome stability. Whether TOP1 DNA breaks are sources of genomic instability in Huntington's disease (HD) is unknown. Here, we report defective 53BP1 recruitment in multiple HD cell models, including striatal neurons derived from HD patients. Defective 53BP1 recruitment is due to reduced H2A ubiquitination caused by the limited RNF168 activity. The reduced availability of RNF168 is caused by an increased interaction with p62, a protein involved in selective autophagy. Depletion of p62 or disruption of the interaction between RNAF168 and p62 was sufficient to restore 53BP1 enrichment and subsequent DNA repair in HD models, providing new opportunities for therapeutic interventions. These findings are reminiscent to what was described for p62 accumulation caused by C9orf72 expansion in ALS/FTD and suggest a common mechanism by which protein aggregation perturb DNA repair signaling. / This work is funded by a Welcome Trust Investigator Award (103844), a Lister Institute of Preventative Medicine Fellowship (137661) and a UKIERI grant (DST/INT/UK/P-147/2016) to S.F.E.- K. JG is additionally funded by a Clinical PhD Fellowship from the Pathological Society of Great Britain and Ireland and the Jean Shanks Foundation (JSPS-CPHD-2018-01).

L’activation constitutive de la voie NF-κB est une étape cruciale dans le processus de transformation des lymphocytes T par le virus humain T-lymphotrope de type 1 (HTLV-1). La protéine virale Tax y joue un rôle majeur en recrutant la protéine régulatrice IKKγ. De précédents travaux effectués par notre équipe ont montré que l’activation de la voie NF-κB parTax est promue par le recrutement des facteurs celluaires Optineurine (OPTN) et Tax1-binding protein 1 (TAX1BP1), deux protéines récemment décrites comme des membres de la famille de récepteurs autophagiques Sequestosome-Like Receptors (SLR), posant la question des liens fonctionnels entre la signalisation NF-κB et la machinerie autophagique.Notre étude décrit l’interaction de Tax avec le récepteur p62, autre membre de la famille des SLR. L’interaction est directe et indépendante de l’ubiquitination de Tax. Les facteurs Tax, p62 et IKKγ forment des complexes localisés au niveau de membranes autophagiques. Le facteur p62 promeut spécifiquement l’activation de la voie NF-κB médiée par Tax. Étonnamment, la sur-expression de p62 limite la capacité de Tax à activer la voie NF-κB, en induisant la déplétion cytosolique de Tax. Ces résultats indiquent que p62 peut exercer des effets antagonistes sur Tax selon son taux d’expression. Des données préliminaires suggèrent que Tax lie également d’autres membres de la famille des SLR, avec des conséquences variables sur l’activation de la voie NF-κB.Ce travail apporte des connaissances nouvelles concernant les relations entre Tax, la signalisation NF-κB et la machinerie autophagique, suggérant l’utilisation des membranes autophagiques comme plateformes de signalisation virale. / NF-κB constitutive activation is a key step in the HTLV-1-mediated T lymphocytes transformation process. This activation is mainly driven by the viral protein Tax, which recruits the IKKγ regulator factor. Previous work performed in our lab showed that Tax-induced NF-κB activation is promoted by the interaction with several cellular factors such as Optineurin (OPTN) and Tax1-binding protein 1 (TAX1BP1), two members of the Sequestosome-Like Receptors (SLR) family, rising the hypothesis of functional interplay vetween NFκB signaling and the autophagic pathway.Our study demonstrates that Tax interacts with the p62 receptor, which is another SLR member, in a direct, ubiquitin independent manner. Tax and p62 form complexes located at autophagic membranes, together with IKKγ. P62 potentiates the Tax-mediated NF-κB activation. Unexpectedly, p62 over-expression inhibits Tax-mediated NF-κB activation by inducing Tax cytoplasmic depletion. These results show that p62 plays a dual role on Tax in a dose-dependent manner. Preliminary data suggest that Tax is also able to interact with other SLR, with various consequences on activation of the NF-κB pathway.This work contributes to the further caracterization of the complex interplay between Tax, NF-κB signaling and the autophagic pathway, suggesting the use of autophagic membranes as viral signaling platforms.

Les inflammasomes sont des complexes protéiques intracellulaires qui ont un rôle majeur dans l'immunité innée. Leur activation conduit à la mort de la cellule dans un contexte hyperinflammatoire. Compte-tenu des effets potentiellement délétères, tissulaires et systémiques, les inflammasomes sont strictement régulés. A l'heure actuelle, la compréhension des mécanismes conduisant à leur activation et leur régulation reste partielle. Dans une première partie de cette thèse, nous avons utilisé une technique de biotinylation proximale (BioID) pour identifier les protéines interagissant avec l'inflammasome. Nous avons identifié 111 protéines dont la relation étroite avec l'inflammasome était vraisemblable. Parmi ces 111 protéines, 25% avaient d'ailleurs déjà été décrites comme des protéines interagissant avec le complexe. L'identification d'un adaptateur majeur de l'autophagie, p62/sequestosome-1 (p62), nous a conduit à focaliser notre attention sur son rôle dans la régulation de l'inflammasome. Nous avons d'abord démontré que l'interaction entre p62 et l'inflammasome existait, sur le plan biochimique. Par la suite, nous avons prouvé que p62 était un substrat du complexe et que l'activation de ce dernier entrainait le clivage de p62 au niveau d'un résidu aspartique en position 329. Enfin, nous avons caractérisé les conséquences fonctionnelles de ce clivage, en montrant que les fragments protéiques générés entrainaient une régulation positive ou négative du complexe. Nous avons alors émis l'hypothèse que p62 pourrait réguler l'inflammasome de manière différente selon le signal activateur. Dans une seconde partie, translationnelle, nous nous sommes intéressés aux conséquences des mutations dans la séquence de gènes codant les constituants de l'inflammasome ou des protéines régulatrices du complexe. Celles-ci sont à l'origine des maladies auto-inflammatoires monogéniques. Ces maladies sont caractérisées par des épisodes récurrents de fièvre associés variablement à d'autres symptômes systémiques. La plus fréquente est la fièvre méditerranéenne familiale (FMF), avec une prévalence estimée entre 1 et 5 pour 10 000 habitants en France. Les mutations du gène MEFV, codant la pyrine, sont à l'origine de la FMF. La pyrine peut induire la formation d'un inflammasome spécifique. Récemment, le mécanisme d'activation de l'inflammasome pyrine a été mieux caractérisé : certaines toxines (comme la toxine B du Clostridium difficile, TcdB) induisent l'activation de l'inflammasome pyrine. Nous avons utilisé ces nouvelles connaissances afin d'explorer les conséquences de l'activation de l'inflammasome pyrine par la TcdB dans les monocytes des patients atteints de FMF, comparés aux monocytes de donneurs sains. Nos résultats indiquent que ces mutations induisent un abaissement du seuil d'activation de l'inflammasome pyrine. Par ailleurs, les corrélations génotype/phénotype indiquent qu'il existe un effet de dosage génétique, en lien avec le nombre d'allèles mutés. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour les patients atteints de FMF, tant dans la compréhension de la physiopathologie que dans la possibilité de mise au point de tests fonctionnels pour le diagnostic de la maladie / Inflammasomes are intracellular multiprotein complexes that have a major role in innate immunity. Their activation leads to hyperinflammatory cell death. In view of potentially deleterious effects, the inflammasomes are strictly regulated. At present, the understanding of the mechanisms leading to their activation and regulation remains partial. In a first part of this thesis, we used a technique of proximity-dependent biotinylation (BioID) to identify the proteins interacting with the inflammasome. We identified 111 proteins with a close relationship to the inflammasome. Among these 111 proteins, 25% had already been described as proteins interacting with the complex. The identification of a major adaptor of autophagy, p62/sequestosome-1 (p62), led us to focus our attention on its role in the regulation of inflammasome. We first demonstrated that the interaction between p62 and inflammasome was real, at the biochemical level. Subsequently, we proved that p62 was a substrate of the complex and that the activation of the latter led to the cleavage of p62 at the aspartate 329. Finally, we characterized the functional consequences of this cleavage and showed that the protein fragments generated led to a positive or negative regulation of the complex. We thus hypothesized that p62 could regulate the inflammasome differently according to the activator signal. In a second translational part, we looked at the consequences of mutations in the sequence of genes coding components of the inflammasome or proteins regulating it. These are the cause of monogenic auto-inflammatory diseases. These diseases are characterized by recurrent episodes of fever associated with other systemic symptoms. The most frequent is Familial Mediterranean Fever (FMF), with prevalence estimated at between 1 and 5 per 10 000 inhabitants, in France. Mutations of the MEFV gene, encoding pyrin, cause FMF. Pyrine may trigger the formation of a specific inflammasome. Recently, the mechanism of activation of the pyrin inflammasome has been better characterized: toxins (such as toxin B of Clostridium difficile, TcdB) induce the activation of the pyrin inflammasome. We used this new knowledge to investigate the consequences of TcdB on pyrin inflammasome activation in monocytes from FMF patients compared to monocytes from healthy donors. Our results indicate that these mutations induce a decreased threshold of activation of the pyrin inflammasome. In addition, genotype / phenotype correlations indicate a gene-dosage effect, related to the number of mutated alleles. These results open new perspectives for patients with FMF, in understanding the pathophysiology of the diseass and in developing functional diagnostic tests

L’hypothalamus est une structure cérébrale ayant un rôle clé dans la régulation de la prise alimentaire. Parmi les différentes populations neuronales qui le composent, les neurones produisant la pro-opiomélanocortine (POMC) sont classiquement connus pour diminuer la prise alimentaire et le poids corporel via la libération de neuropeptides produits par le clivage de POMC. Notre étude, grâce à l’utilisation d’approches génétiques, pharmacologiques, électrophysiologiques et moléculaires, remet en question les notions classiques sur la fonction des neurones à POMC dans la balance énergétique, en démontrant qu’il existe deux sous-populations fonctionnellement distinctes de neurones à POMC, qui augmentent ou diminuent la prise alimentaire en fonction du neurotransmetteur qu’elles libèrent, l’acide γ-aminobutyrique (GABA) ou le glutamate. Une troisième population capable de produire aussi bien du GABA que du glutamate a également été identifiée. La régulation des neurones à POMC GABAergiques et glutamatergiques dépend de la voie de la cible de la rapamycine chez les mammifères (mTORC1), qui fonctionne comme un détecteur d’énergie cellulaire, et du système endocannabinoïde (ECS), qui régule la libération de neurotransmetteurs. De plus, nous avons également démontré, via l’utilisation de souris mutantes conditionnelles, l’importance de la protéine p62 ou séquestrome 1 (p62/SQSTM1), qui régule l’activité de mTORC1 et l’autophagie, dans les neurones à POMC dans la régulation de l’homéostasie énergétique. Nos données offrent un nouvel aperçu sur les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la balance énergétique. / The hypothalamus is a brain structure with a key role in the regulation of food intake. Among the different neuronal populations of which it is composed, pro-opiomelanocortin (POMC) neurons are classically known to decrease food intake and body weight through the release of neuropeptides produced by the cleavage of POMC. Our study, through the use of genetic, pharmacological, electrophysiological and molecular approaches, challenges conventional notions about POMC neuron function in energy balance by showing that there are two functionally distinct POMC neuronal sub-populations, which increase or decrease food intake depending on which neurotransmitter they release, γ-aminobutyric acid (GABA) or glutamate. A third population capable of producing both GABA and glutamate has also been identified. The regulation of POMC GABAergic and glutamatergic neurons depends on the mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) pathway, which functions as a cellular energy sensor, and the endocannabinoid system (ECS), which regulates neurotransmitters release. In addition, we have also demonstrated through the use of a conditional knockout mice, the importance of the protein p62 or sequestrome 1 (p62/SQSTM1), which regulates mTORC1 activity and autophagy, in POMC neurons for the regulation of energy homeostasis. Our data provide new insights on the molecular mechanisms involved in the regulation of energy balance.

Résumé : La maladie osseuse de Paget (MP) est un désordre squelettique caractérisé par une augmentation focale et désorganisée du remodelage osseux. Les ostéoclastes (OCs) de MP sont plus larges, actifs et nombreux, en plus d’être résistants à l’apoptose. Même si la cause précise de la MP demeure inconnue, des mutations du gène SQSTM1, codant pour la protéine p62, ont été décrites dans une proportion importante de patients avec MP. Parmi ces mutations, la substitution P392L est la plus fréquente, et la surexpression de p62P392L dans les OCs génère un phénotype pagétique partiel. La protéine p62 est impliquée dans de multiples processus, allant du contrôle de la signalisation NF-κB à l’autophagie. Dans les OCs humains, un complexe multiprotéique composé de p62 et des kinases PKCζ et PDK1 est formé en réponse à une stimulation par Receptor Activator of Nuclear factor Kappa-B Ligand (RANKL), principale cytokine impliquée dans la formation et l'activation des OCs. Nous avons démontré que PKCζ est impliquée dans l’activation de NF-κB induite par RANKL dans les OCs, et dans son activation constitutive en présence de p62P392L. Nous avons également observé une augmentation de phosphorylation de Ser536 de p65 par PKCζ, qui est indépendante d’IκB et qui pourrait représenter une voie alternative d'activation de NF-κB en présence de la mutation de p62. Nous avons démontré que les niveaux de phosphorylation des régulateurs de survie ERK et Akt sont augmentés dans les OCs MP, et réduits suite à l'inhibition de PDK1. La phosphorylation des substrats de mTOR, 4EBP1 et la protéine régulatrice Raptor, a été évaluée, et une augmentation des deux a été observée dans les OCs pagétiques, et est régulée par l'inhibition de PDK1. Également, l'augmentation des niveaux de base de LC3II (associée aux structures autophagiques) observée dans les OCs pagétiques a été associée à un défaut de dégradation des autophagosomes, indépendante de la mutation p62P392L. Il existe aussi une réduction de sensibilité à l’induction de l'autophagie dépendante de PDK1. De plus, l’inhibition de PDK1 induit l’apoptose autant dans les OCs contrôles que pagétiques, et mène à une réduction significative de la résorption osseuse. La signalisation PDK1/Akt pourrait donc représenter un point de contrôle important dans l’activation des OCs pagétiques. Ces résultats démontrent l’importance de plusieurs kinases associées à p62 dans la sur-activation des OCs pagétiques, dont la signalisation converge vers une augmentation de leur survie et de leur fonction de résorption, et affecte également le processus autophagique. / Abstract : Paget’s disease of bone (PDB) is a skeletal disorder characterized by focal and disorganized increases in bone turnover. In PDB, osteoclasts are larger, more active, more numerous, and resistant to apoptotic stimuli. While no single root cause has been identified, mutations to the gene encoding the p62 protein, SQSTM1, have been described in a significant population of patients with PDB. Among these mutations, the P392L substitution is the most prevalent, and overexpression of p62P392L in osteoclasts generates at least a partial pagetic phenotype in vitro. Normally this protein mediates a number of cell functions, from control of NF-κB signaling to autophagy. In human osteoclasts, a multiprotein complex containing p62 and protein kinases PKCζ and PDK1 (the principal kinase of Akt), form in response to stimulation by receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL), the principal osteoclastogenic-signaling cytokine. We found that PKCζ is involved in RANKL-induced activation of NF-κB, and that it contributed to a basal activation of NF-κB observed in p62P392L mutants. This may be regulated in part by a PKCζ dependent increase in p65 phosphorylation at Ser536 which we characterized, independent of IκB. This could represent one alternative pathway by which mutant p62 leads to increased NF-κB activation. We observed increased basal phosphorylation of survival regulators ERK and Akt in PDB that was reduced upon PDK1 inhibition. The activity of 4EBP1 and Raptor, associated with mTOR activity, were also altered in pagetic osteoclasts and regulated by PDK1 inhibition. We then identified autophagic defects common to pagetic osteoclasts; with higher basal levels of LC3II (associated with autophagic structures), regardless of p62 mutation, and reduced sensitivity to autophagy induction in PDB. These results suggest an accumulation of non-degradative autophagosomes. Inhibition of PDK1 not only induced apoptosis in PDB and controls, but significantly reduced resorption in PDB, and with regards to autophagy, PDK1 inhibition was more potent in PDB than in controls. Therefore PDK1/Akt signaling represents an important checkpoint to PDB osteoclast activation. In sum, these results demonstrate the importance of several p62-associated kinases in the over-activation of pagetic osteoclasts, through increased survival and altered signaling. As p62 mutations alone do not account for most cases of PDB, the characterization of these pathways may identify a common factor linking pagetic osteoclasts. Therefore these studies represent a novel approach to osteoclast apoptosis, activation, and autophagy associated with PDB.

SUMOylation and ubiquitination are important post-translational modifications. While ubiquitination is well known for targeting proteins for degradation, SUMOylation often regulates the intracellular localization of substrates. In the first project of this dissertation, we developed proteomic strategies to identify novel SUMOylated proteins in mammalian cells. In the second project, we investigated the regulation of protein ubiquitination in the NF-κB signaling pathway in the context of Paget’s disease of bone (PDB). Identification of SUMOylated proteins has been a challenge because of low abundance of SUMOylation substrates. Here, we utilized a mass spectrometry (MS)-based proteomic approach to identify novel SUMOylated proteins in mammalian cells. Seventy-four unique proteins were commonly identified in the collection of four SUMO-1 plasmids, thus considered candidate SUMOylated proteins. Many of these proteins are associated with the nucleus. The results were validated by confirming SUMOylation of a novel substrate Drebrin and a well known substrate Ran-GAP1. Furthermore, the potential SUMOylation sites in Drebrin have been identified and confirmed using site-directed mutagenesis. PDB is a disorder characterized by increased bone turnover containing hyperactive osteoclasts. Mutations in Sequestosome 1 (p62) are associated with 40% of familial PDB. P62 is a scaffold protein and plays a critical role in regulating ubiquitination of TRAF family signaling molecules and mediating the activation of NF-κB by RANK and TNFα ligands. P62 also plays a critical role in shuttling substrates for autophagic degradation. The objective of this project is to determine the effects of PDB-associated p62 mutants on NF-κB signaling and autophagy. We compared the effect of wild-type (WT) p62 and PDB mutations (A381V, M404V and P392L) on the TNFα-induced NF-κB signaling using an NF-κB luciferase assay. Our results show that these p62 mutations increased the NF-κB signaling. In addition, we found that the PDB mutations did not change the interaction between p62 and the autophagy marker protein LC3. In summary, the PDB mutations in p62 are likely gain-of-function mutations that can increase NF-κB signaling and potentially contribute to disease progression. Based on the results, we proposed a model to speculate the synergetic role of p62 PDB mutant on NF-κB signaling and autophagy.

Apoptosis (Type I) and autophagy (Type II) represent two major forms of programmed cell death. Numerous anticancer agents employed in standard chemotherapy or novel targeted therapy induce both apoptosis and autophagy. Of note, a cytoprotective autophagic response often counteracts apoptosis triggered by such agents, potentially contributing to drug-resistance. Mechanistically, autophagy and apoptosis share molecular regulatory mechanisms primarily governed by the Bcl-2 family proteins. However, since autophagy acts as the double-edge sword in cancer, whether autophagy should be inhibited or activated in cancer treatment remains the subject of debate. Here we report a) a novel autophagy-targeted strategy that targeting the adaptor SQSTM1/p62 induces “inefficient” autophagy due to cargo-loading failure and converts cytoprotective autophagic response to apoptosis via the BH3-only protein NBK/Bik (Part 1); and b) a new mechanism for acquired drug-resistance in which the BH3-only protein Bim acts as a dual-agent regulating both autophagy and apoptosis (Part 2).