Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est la tumeur maligne primitive du foie la plus fréquente (90 % des cas). Le CHC est le cinquième cancer par ordre de fréquence à l'échelon mondial, la troisième cause de décès par cancer dans le monde entier et son incidence est actuellement croissante. Parmi Les principaux facteurs prédictifs de survenue de CHC ; les altérations génétiques, l'alcool et les infections par les virus des hépatites B (VHB) et C (VHC). Les travaux de thèse en cotutelle menés entre l’Universités Paris Sud 11-France et l’Université Mohammed V- Rabat –MAROC ont porté essentiellement sur l’étude de deux facteurs de risque impliqués dans le développement du carcinome hépatocellulaire ; le polymorphisme génétique et l’infection par le virus de l’hépatite C. Dans un premier temps, ce travail de recherche s’est focalisée sur l’éventuelle relation pouvant liée les polymorphismes génétiques des gènes PCAF, P300 au carcinome hépatocellulaire. Sur le plan génétique nous avons constaté que les génotypes Val/Val de EP300 et Ser/Ser de PCAF apparaissent comme les plus associés à l’hépatocarcinome. Par ailleurs, ces derniers se trouvent associés d’une manière significative au carcinome hépatocellulaire. Par la suite, notre travail a consisté à mieux caractériser la variabilité génétique du HCV et l’épidémiologie des souches virales chez la population marocaine pour lesquelles peu de données étaient disponibles. Les analyses phylogénétiques des régions NS5B et E2 et les données épidémiologiques recueillies ont permis de répondre à ces questions. Enfin, La dernière partie des travaux de cette thèse vise à identifier des facteurs cellulaires essentiels à la réplication du VHC, dans l’objectif de définir de nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement des hépatites virales C. Nous avons pu identifier la septine 9 comme facteur cellulaire impliqué dans le cycle de vie virale du HCV, ainsi que les protéines PIAS1 et SUMO1 comme protéines régulatrices de la septine 9. De plus nous avons pu établir la relation entre ces protéines cellulaires dont la présence est nécessaire à la fois à la production des protéines virales ( CORE et E2) et à la réplication du virus dans la cellule hôte. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is the fifth most common cause of cancer worldwide and the third most common cause of cancer mortality. HCC is one of the few cancers with welldefined major risk factors. Major causes of HCC include hepatitis B, hepatitis C, alcoholic liver disease, nonalcoholic, steatohepatitis, hereditary hemochromatosis, and geneticalteration. The multifactorial causes of HCC might explain its complex molecular pathogenesis. Detailed understanding of epidemiologic factors and molecular mechanisms associated with HCC ultimately could improve our current concepts for screening and treatment of this disease. With a view toward current concepts for screening of this disease, first, we analyzed a genetic susceptibility to hepatocellular carcinoma. The aim of the current study was to assess the impact of the Ile997Val in EP300 and Asn386Ser in PCAF polymorphisms on the risk of HCC. we found that the Val/Val of the EP300 at codon 997 and Ser/Ser of the PCAF at codon 386 were associated with an increased risk of HCC in the Moroccan population. A higher risk of HCC was observed in HCV-negative subjects. We also found that male with Ser/Ser in thePCAF gene and women with Val/Val genotype of the EP300 had a higher risk to develop HCC. It appears that variants of the transcriptional coactivator genes (EP300 and PCAF) may influence HCC risk in populations with low mutations or hromosomal instability rates. Additional surveys are warranted to confirm this first report. The incidence of HCC is increasing in Western countries, mostly because of the high prevalence of hepatitis C virus (HCV) infection. In this sense, we have tried to identify new host factors involved in replication of HCV. Hepatitis C virus (HCV) replicates in the liver,and chronic infection often leads to cirrhosis, steatosis, and hepatocellular carcinoma. There is no vaccine to protect against HCV infection. Major improvement has been recently achieved regarding treatment of HCV infection however there is already evidence for emergence of resistance due to the high genetic variability of the HCV RNA genome. Thus it should be important, to design therapies which avoid genotypic resistance by targeting cellular proteins. Understanding the mechanisms that allow proper assembly and intracellular trafficking of HCV proteins may have a profound impact on the treatment efficacy. An important hallmark of chronic HCV infection is liver steatosis associated with the accumulation of lipid droplets (LDs). The LDs accumulated in the HCV infected cells and the HCV core protein induces the redistribution of LDs, through the clustering of these organelles in the perinuclear area, providing a platform for virus assembly and in the production of infectious particles. Several host proteins have been proposed to facilitate the replication of HCV however much is needed to elucidate the implicated mechanisms. Here we report that HCV infection increases expression and formation of septin 9 filament surrounding HCV core. Data of our study revealed the highest expression of septin 9 in samples from hepatocellular carcinoma (HCC) from patients with chronic HCV infection. Indeed, we brought newperception of septin 9 function regarding both microtubule and lipid structure organization. We proposed that HCV infection conducts to assembly of septin 9 in filaments through PIAS1. This may provide scaffolds to organize the microtubules network and LDs redistribution required for HCV assembly and replication. This study illuminates a new function of septin 9 in HCV life cycle through its association with lipids and microtubules. These events might depend on septin 9 SUMO1 modification by PIAS1. These findings also provide a step forwards in understanding the relationship between HCV and its host and open new therapeutic directions.

阿茲海默症是一種隨著年齡老化有關的神經退化性疾病，其特徵主要為記憶喪失及認知功能失調。阿茲海默症有兩個主要的病理指標，包含了因為濤蛋白造成的神經纖維糾結以及乙型類澱粉蛋白堆積而成的老化斑塊。乙型類澱粉蛋白是由類澱粉前驅蛋白經β-分泌酶及γ-分泌酶連續裁切生成大小約4-kDa的胜肽。乙型類澱粉蛋白會相互堆積形成寡聚體，並且高分子量寡聚體進一步再堆積成不可溶性的乙型類澱粉蛋白纖維及老化斑塊。半乳糖凝集素-3是半乳糖凝集素家族的一員，目前已知半乳糖凝集素-3調節各種細胞的功能，例如發炎、腫瘤生長以及細胞間的黏附，而在癌症中則有促使癌細胞積聚的能力，然而在大腦中的作用仍尚不清楚。在本研究中，我們使用APP/PS1基因轉殖小鼠作為阿茲海默症的動物模型，並且在其大腦中研究半乳糖凝集素-3對於乙型類澱粉蛋白堆積的作用與機制。結果顯示在野生型小鼠的海馬迴中過度表現半乳糖凝集素-3會促進乙型類澱粉蛋白的堆積，而將乙型類澱粉蛋白注射在半乳糖凝集素-3基因剔除小鼠的海馬迴，則會觀察到乙型類澱粉蛋白寡聚合作用的減少。乙型類澱粉蛋白的注射也會增加海馬迴中半乳糖凝集素-3的表現。在APP/PS1小鼠的海馬迴可以觀察到半乳糖凝集素-3的表現量會隨著年齡增長而增加，而具有抑制發炎及免疫反應的PIAS1在APP/PS1小鼠海馬迴中的表現量則會隨著年齡增長而減少。在探討半乳糖凝集素-3調節乙型類澱粉蛋白寡具體作用的過程中，我們發現半乳糖凝集素-3基因剔除小鼠的海馬迴中能夠代謝乙型類澱粉蛋白的腦啡肽酶表現量是野生型小鼠的兩倍多。研究結果顯示半乳糖凝集素-3對於乙型類澱粉蛋白的堆積扮演了重要的角色以及可能在阿茲海默症的病理機制中具有重要的作用。 / Alzheimer’s disease (AD) is an age-related neurodegenerative disorder which is characterized by progressive loss of memory and other cognitive functions. The two pathological hallmarks of AD are extracellular amyloid plaque and flame-shaped neurofibrillary tangles of the tau protein. Aβ is a 4-kDa protein that is resulted from sequential cleavage of the amyloid precursor protein by beta-secretase and gamma-secretase. Once Aβ is produced, it will aggregate to form oligomers and high molecular weight (HMW) oligomers will further assemble to form large insoluble fibrils and plaque. Galectin-3 (Gal-3) is a member of the β-galactoside-binding galectin protein family. Gal-3 is known to regulate various cellular functions, such as inflammation, tumor progression and cell-cell adhesion. In cancer cell, Gal-3 enhances homotypic aggregation, but its role in the brain is much less known. In the present study, we examined the role and mechanism of Gal-3 in Aβ aggregation in the brain by adopting the APP/PS1 mice as an animal model of AD. Results revealed that overexpression of Gal-3 enhanced Aβ oligomerization, whereas Aβ injection into hippocampus of Gal-3 KO mice reduced Aβ oligomerization. Aβ injection also increased Gal-3 expression in the hippocampus. Gal-3 expression is also increased in APP/PS1 mice and this effect is more significant along with ageing. Meanwhile, the expression of protein inhibitor of activated STAT1 (PIAS1) that suppresses inflammation and immune response was decreased with ageing in APP/PS1 mice. We further found that the expression level of neprilysin, an enzyme that degrades Aβ, was increased for approximately two-folds in Gal-3 KO mice compared with WT mice. These results suggest that Gal-3 plays an important role in Aβ aggregation and possibly in the pathology of AD.

本實驗室於先前利用莫氏水迷津試驗篩選學習快與學習慢的大白鼠，取出其海馬迴組織並進行聚合酶連鎖反應差異顯示(PCR differential display)，結果顯示學習快與學習慢的大白鼠背側海馬迴之間共有98個cDNA片段有差異表現。把這些cDNA片段進行定序並利用BLAST資料庫比對，其中一個cDNA片段為大白鼠的pias1 [protein inhibitor of activated STAT1 (signal transducer and activator of transcription 1)] 基因。為了瞭解pias1基因的表現是否和空間學習有所關聯，隨機把大白鼠分成兩組，一組為有訓練組別(有空間線索與隱藏式平台)，另一組為無訓練的組別(沒有平台，作為游泳的控制組)同時進行莫氏水迷津學習試驗。試驗完畢，取出海馬迴組織進行即時定量聚合酶連鎖反應與西方墨點法來分析PIAS1的mRNA與蛋白質的表現。結果顯示有水迷津訓練的大白鼠，其PIAS1的mRNA與蛋白質表現皆明顯的高於無訓練的組別。為了更進一步確認PIAS1在空間學習中所扮演的角色，我們利用基因轉染的技術，轉染PIAS1 siRNA至大白鼠海馬迴CA1區域抑制PIAS1的表現。我們發現轉染PIAS1 siRNA至CA1區域會抑制大白鼠在水迷津的行為表現，然而轉染野生型的PIAS1質體基因至CA1區域卻會增進水迷津試驗的學習能力，同時我們也以西方墨點法發現，當轉染PIAS1 siRNA會增加STAT1 Tyr701的磷酸化，而轉染PIAS1 WT則會抑制STAT1 Tyr701的磷酸化。為了探討PIAS1促進記憶形成的分子機制，我們發現當轉染突變型的STAT1 Y701F質體基因至CA1區域，會抑制PIAS1 siRNA所造成記憶的損害。這些實驗結果代表著PIAS1會抑制STAT1 Tyr701的磷酸化，而PIAS1促進記憶的形成可能是藉由抑制STAT1 Tyr701的磷酸化而達成。另外，我們也單獨轉染突變型的STAT1 Y701F質體基因至CA1區域，水迷津實驗結果顯示會促進空間記憶的形成。目前PIAS1在免疫的角色已有許多研究證實，但是本篇研究是第一個提出PIAS1會參與哺乳類動物學習與記憶形成探討。 / Our laboratory has previously identified 98 cDNA fragments by using PCR differential display from rat dorsal hippocampus that are differentially expressed between fast learners and slow learners from the water maze learning task. After sequencing and BLAST analysis, one of these cDNA fragments encodes the rat pias1 [protein inhibitor of activated STAT1 (signal transducer and activator of transcription 1)] gene. In order to determine whether pias1 gene expression is associated with spatial learning, naïve rats were randomly assigned to the trained group (with visual cues and platform been present) and the non-trained group (without the platform as the swimming control). The dorsal hippocampus from these animals was dissected out at the end of the training and was subjected to RNA and protein extraction for real-time PCR and Western blot analysis of PIAS1 expression, respectively. Results revealed that the pias1 mRNA level and protein level was both higher in the hippocampus of trained rats than non-trained rats. To further examine the role of PIAS1 involved in spatial learning and memory, the specific PIAS1 siRNA was used to knockdown the expression of PIAS1 in rat hippocampal CA1 region. We found that transfection of PIAS1 siRNA to the CA1 area impaired water maze performance, whereas transfection of the wild-type PIAS1 DNA plasmid to the CA1 area facilitated water maze performance in rats. Meanwhile, PIAS1 siRNA increased STAT1 phosphorylation at Tyr701 whereas PIAS1 WT decreased STAT1 phosphorylation at this residue. In the examination of molecular mechanism underlying PIAS1-mediated memory facilitation, we have found that transfection of the STAT1 Y701F mutant plasmid antagonized the memory-impairing effect of PIAS1 siRNA, whereas transfection of STAT1 Y701F alone facilitated spatial memory formation. These results together suggest that one of the molecular mechanisms underlying PIAS1-mediated memory facilitation is through decreased STAT1 phosphorylation at Tyr701. All these manipulations did not affect visible platform learning in rats. In addition to the well documented role of PIAS1 in the immune system, here we have been the first to demonstrate a novel role of PIAS1 involved in spatial memory formation in rats.

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2. / Cell adaption to the external environment relies on proper signal transduction that is orchestrated by a plethora of molecular events. Among these molecular events, post-translational modifications (PTMs) of proteins help to spatiotemporally integrate, translate and dispatch signals so cells can respond to external stimuli. Among these post-translational modifications, the Ubiquitin-like proteins (Ublps) play a major role in almost all signaling pathways. This thesis reports functional and structural studies of the covalent and non-covalent interactions between the Small Ubiquitin-related MOdifier (SUMO), a member of the Ublps family, and three scaffold proteins, TIF1beta, the corepressor of KRAB-Multifinger proteins, PIAS1, a SUMO E3 ligase and the Promyleocytic leukemia (PML) tumor suppressor protein. The first study reports the identification and the biochemical characterization of TIF1betaSUMOylation sites. We mapped six SUMOylation sites in TIF1beta and determined that the covalent modification of these sites by SUMO is essential for its transcriptional repression activity. In addition, we present evidence indicating that SUMOylation of TIF1beta requires not only its ability to homo-oligomerize, but is positively regulated through its interaction with KRAB domains found in zinc-finger proteins. Based on this finding, we postulate that these KRAB domain containing multifinger proteins not only recruit TIF1beta co-repressor to target genes but also increase its repressive activity through enhancement of its SUMOylation. The work in the second study reveals that in addition to suppressing transcription as a covalent PTM, SUMO plays an important role in repression as a non-covalent protein-protein interaction partner. We determine that SUMO can form a repressive complex by simultaneously forming non-covalent interactions with UBC9 and PIAS1, the E2 and E3 enzymes in the SUMOylation system. In addition, we report that the formation of the PIAS1:SUMO:UBC9 ternary complex is modulated by the phosphorylation of serine residues juxtaposed to a SUMO-Interacting Motif (SIM) found in PIAS1. Thus SUMO acts as a specific adaptor that stabilizes UBC9 E2: PIAS1 E3 interactions. Based on this finding, we propose that the E2 and E3 enzymes from other Ublps systems exploit similar mechanisms as part of their function Finally, our third study explores the regulation of SUMO non-covalent interactions by phosphorylation. Using a combination of in vivo and in vitro studies we demonstrate that the interaction between SUMO1 and PML is governed by CK2-dependent phosphorylation of four serine residues in PML. Crystal structures of PML-SIM:SUMO1 complexes reveal that these PML phospho-serine specifically contact SUMO1 basic patch residues. Since CK2 kinase is induced by stress activated kinases pathways, this indicates that SUMO non-covalent interactions are regulated by cellular stress. Based on this finding, we postulated that analogous events influence other CK2-targeted SIM-containing proteins. In summary, this study reveals that in addition to its well described function as PTM, SUMO can function as an adaptor enabling specific proteins interactions such as functional E3:E2 enzymes pairs.

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2. / Cell adaption to the external environment relies on proper signal transduction that is orchestrated by a plethora of molecular events. Among these molecular events, post-translational modifications (PTMs) of proteins help to spatiotemporally integrate, translate and dispatch signals so cells can respond to external stimuli. Among these post-translational modifications, the Ubiquitin-like proteins (Ublps) play a major role in almost all signaling pathways. This thesis reports functional and structural studies of the covalent and non-covalent interactions between the Small Ubiquitin-related MOdifier (SUMO), a member of the Ublps family, and three scaffold proteins, TIF1beta, the corepressor of KRAB-Multifinger proteins, PIAS1, a SUMO E3 ligase and the Promyleocytic leukemia (PML) tumor suppressor protein. The first study reports the identification and the biochemical characterization of TIF1betaSUMOylation sites. We mapped six SUMOylation sites in TIF1beta and determined that the covalent modification of these sites by SUMO is essential for its transcriptional repression activity. In addition, we present evidence indicating that SUMOylation of TIF1beta requires not only its ability to homo-oligomerize, but is positively regulated through its interaction with KRAB domains found in zinc-finger proteins. Based on this finding, we postulate that these KRAB domain containing multifinger proteins not only recruit TIF1beta co-repressor to target genes but also increase its repressive activity through enhancement of its SUMOylation. The work in the second study reveals that in addition to suppressing transcription as a covalent PTM, SUMO plays an important role in repression as a non-covalent protein-protein interaction partner. We determine that SUMO can form a repressive complex by simultaneously forming non-covalent interactions with UBC9 and PIAS1, the E2 and E3 enzymes in the SUMOylation system. In addition, we report that the formation of the PIAS1:SUMO:UBC9 ternary complex is modulated by the phosphorylation of serine residues juxtaposed to a SUMO-Interacting Motif (SIM) found in PIAS1. Thus SUMO acts as a specific adaptor that stabilizes UBC9 E2: PIAS1 E3 interactions. Based on this finding, we propose that the E2 and E3 enzymes from other Ublps systems exploit similar mechanisms as part of their function Finally, our third study explores the regulation of SUMO non-covalent interactions by phosphorylation. Using a combination of in vivo and in vitro studies we demonstrate that the interaction between SUMO1 and PML is governed by CK2-dependent phosphorylation of four serine residues in PML. Crystal structures of PML-SIM:SUMO1 complexes reveal that these PML phospho-serine specifically contact SUMO1 basic patch residues. Since CK2 kinase is induced by stress activated kinases pathways, this indicates that SUMO non-covalent interactions are regulated by cellular stress. Based on this finding, we postulated that analogous events influence other CK2-targeted SIM-containing proteins. In summary, this study reveals that in addition to its well described function as PTM, SUMO can function as an adaptor enabling specific proteins interactions such as functional E3:E2 enzymes pairs.

Plus de 70% des tumeurs mammaires expriment le récepteur des œstrogènes alpha (ERα), un facteur de transcription dépendant de ses ligands, les œstrogènes. Deux types d’anti-œstrogènes (AE) peuvent être utilisés en clinique pour traiter ces tumeurs : les SERM (Selective Estrogen Receptor Modulators) qui sont des agonistes partiels, tels que le tamoxifène, le SERM le plus communément utilisé en première ligne de traitement. Les SERD (Selective Estrogen Receptor Degraders) sont des AE purs et induisent la dégradation de ERα. Le fulvestrant a été le premier SERD utilisé en clinique, en seconde ligne de traitement après rechute ou dans un contexte métastatique. Cependant, il est très peu biodisponible oralement. ERα est ubiquitiné en présence de SERD, ce qui conduit à sa dégradation par la voie du protéasome. De plus, nous avons montré qu’ERα est également SUMOylé en présence de fulvestrant et d’autres AE purs. Cette SUMOylation contribue à supprimer ses propriétés transcriptionnelles. La SUMOylation et l’ubiquitination sont deux modifications post-traductionnelles similaires et consistent en la conjugaison d’une petite protéine (SUMO1/2/3 ou ubiquitine) sur des résidus d’une protéine cible lors d’une cascade de réactions impliquant trois enzymes : une enzyme activatrice E1, une enzyme de conjugaison E2 et une ligase E3. Ces processus peuvent être réversibles à l’aide de déSUMOylases (SENP) ou déubiquitinases (DUB). Dans un premier temps, nous avons étudié les déterminants structuraux de ERα nécessaires pour sa SUMOylation. Nos analyses Western et nos tests BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer), dans lesquels nous avons mesuré le transfert d’énergie entre un donneur luminescent (ERα ou ERβ fusionnés à la luciférase) et un accepteur fluorescent (SUMO1 ou SUMO3 fusionnée à la YFP), ont montré que ERα est SUMOylé en présence de fulvestrant, mais pas son paralogue ERβ. Nous avons ensuite créé des chimères dans lesquelles nous avons échangé les domaines de ERα et de ERβ et avons étudié le profil de SUMOylation de ces chimères à l’aide des mêmes essais. Nous avons ainsi mis en évidence que les séquences spécifiques à ERα dans les hélices H3-H4 du domaine de liaison au ligand sont nécessaires et suffisantes pour sa SUMOylation en présence de fulvestrant. Dans cette région, les acides aminés spécifiques à ERα ne sont pas de potentiels substrats de modification. De plus, ces hélices font partie du sillon de recrutement de cofacteurs de ERα, ce qui suggère qu’il y a un recrutement différentiel de la machinerie de SUMOylation par ERα et ERβ en présence de fulvestrant. Nous avons montré que la surexpression de PIAS1 et PIAS2 peut augmenter le signal de SUMOylation. Nous avons ensuite étudié le lien entre la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα induites par les AE. Nous avons adapté nos tests BRET pour mesurer l’ubiquitination de ERα, en réalisant des essais Ubi-BRET (Ubiquitine fusionnée à la YFP). Nous avons ainsi pu observer que la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα sont affectées par les mêmes mutations en présence d’AE, suggérant un lien entre ces deux voies de modification de ERα induites par les AEs purs. Des essais en cinétique BRET ont montré que ces modifications se font en parallèle et que l’utilisation d’inhibiteurs de SUMOylation chimiques (ML-792 et TAK-981) ou protéiques (déSUMOylase SENP1/2) abrogent la SUMOylation de ERα. En revanche, l’ubiquitination de ERα par différents AE est partiellement diminuée lorsque ces inhibiteurs sont utilisés. La surexpression des protéines RNF4 et RNF111, qui sont des enzymes E3 ubiquitine ligases qui vont ubiquitiner spécifiquement les protéines SUMOylées (STUbL), augmente l’ubiquitination de ERα en présence de fulvestrant et d’autres SERD, de manière dépendante de la SUMOylation. Cependant, l’inhibition de la SUMOylation par les inhibiteurs ML-792 et TAK-781 n’a pas eu d’effet sur la dégradation de ERα par la voie du protéasome dans les cellules ER-positives MCF-7 et T47D. Ces résultats suggèrent que la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα ont lieu en parallèle et nécessitent la même conformation de ERα induite par les AE. Enfin, ces deux modifications peuvent être reliées, grâce aux protéines STUbL de manière spécifique des cellules. En résumé, ces projets nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’action des anti-œstrogènes purs utilisés dans le cancer du sein ER-positif. Nos découvertes pourront contribuer à anticiper des mécanismes possibles de résistance à ces molécules et permettre d’optimiser le développement de nouveaux anti-œstrogènes plus efficaces dans l’induction de la SUMOylation. / More than 70% of mammary tumors are positives for the expression of the estrogen receptor alpha (ERα), a ligand-dependent transcription factor, activated by estrogens. Two types of antiestrogens (AE) are used in the clinic to treat these tumors: the SERMs (Selective Estrogen Receptor Modulators), which are partial agonists, with the tamoxifen, the most common SERM used in first line of treatment. The SERDs (Selective Estrogen Receptor Degraders) are pure antiestrogens that induced ERα degradation. Fulvestrant has been the first SERD used in the clinic, in second line of treatment after relapse or in a metastatic setting. However, fulvestrant is poorly orally bioavailable. ERα is ubiquitinated in the presence of SERDs and this induce its degradation via the proteasome pathway. In our lab, we have showed that ERα is also SUMOylated in the presence of fulvestrant and other pure antiestrogens. This SUMOylation suppresses its transcriptional properties. SUMOylation and ubiquitination are two similar post-translational modifications that consist in the conjugation of a small protein (SUMO1/2/3 or ubiquitin) on residues of a target protein during an enzymatic cascade implicating three enzymes: an E1 activating, an E2 conjugating and an E3 ligase. These processes are reversible thanks to deSUMOylases (SENPs) and deubiquitinases (DUBs). First, we have studied the structural determinants of ERα required for its SUMOylation. Our Western and BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) analyses, where we measured the energy transfer between a luminescent donor (ERα or ERβ fused to the luciferase) to a fluorescent acceptor (SUMO1 or SUMO3 fused to the YFP), have showed that ERα is SUMOylated in the presence of fulvestrant but not its paralog ERβ. We have created chimeras by exchanging domains between ERα and ERβ et we have studied the SUMOylation profile of these chimeras with these assays. We showed that the specific sequence to ERα in the H3-H4 helices of the ligand binding domain are necessary and sufficient to induce its SUMOylation in the presence of fulvestrant. In this region, the amino acids that are specifics to ERα are not potential substrates of modification. Moreover, these helices are part of the cofactor binding groove of ERα, suggesting that there is a differential recruitment of the SUMOylation machinery by ERα compared to ERβ in the presence of fulvestrant. We have also showed that the overexpression of the E3 SUMO ligases PIAS1 and PIAS2 can increase the SUMOylation signal. We then studied the parallel between SUMOylation and ubiquitination of ERα induced by AE. We adapted our BRET assays to measure the ubiquitination of ERα, by performing Ubi-BRET assays (ubiquitin fused to the YFP). We observed that SUMOylation and ubiquitination of ERα are affected by the same mutations in the presence of AE, suggesting that there is a crosstalk between these two modification pathways of ERα induced by AE. BRET kinetic assays showed that these modifications happened in parallel and that the use of SUMOylation inhibitors (chemicals ML-792 and TAK-981; or deSUMOylases SENP1/2) abrogated the SUMOylation of ERα. However, the ubiquitination of ERα by different AE is partially decreased when these inhibitors are used. The overexpression of RNF4 and RNF111, which are SUMO-targeted ubiquitin ligases (STUbLs), that will specifically ubiquitinate SUMOylated target proteins, increased the ubiquitination of ERα in the presence of fulvestrant and other SERDs, in a SUMO-dependent manner. However, the inhibition of SUMOylation by ML-792 and TAK-981 inhibitors did not impact the degradation of ERα induced by the proteasome in ER-positive breast cancer cells MCF7 and T47D. These results suggest that SUMOylation and ubiquitination of ERα happened in parallel and required the same conformation of ERα induced by AE. Finally, these two modifications can be linked thanks to STUbLs in a cell-specific manner. These projects led us to better understand the mechanisms of action of pure AE used in the treatment of ER-positive breast cancer. Our findings will contribute to anticipate possible mechanisms of resistance to AE et will help for the optimization and the development of new AE, more efficient in inducing ERα SUMOylation.