Au cours de la réparation cutanée, l’étape de réépithélialisation est essentielle car son objectif est de restaurer la fonction barrière de la peau. Elle consiste en une série d’étapes coordonnées où les kératinocytes migrent, prolifèrent et se différencient jusqu’à restauration complète de l’épiderme. Régulée de façon simultanée au niveau intracellulaire mais également extracellulaire, elle dépend de la production de facteurs de croissance, de métalloprotéases matricielles (MMPs) et de protéines de la matrice extracellulaire sur lesquelles les kératinocytes adhèrent et migrent par l’intermédiaire de récepteurs de la famille des intégrines ou des syndécans. Parmi les ligands matriciels, la laminine 332 (LN332), qui est connue comme étant la protéine d’adhésion majeure des kératinocytes de l’épiderme, s’avère être également impliquée au cours de la réépithélialisation et jouer un rôle important dans les processus d’adhésion et de migration des kératinocytes, notamment par le biais de son domaine globulaire LG4/5 localisé à l’extrémité C-term de sa chaine 3. De récentes études ont montré que ce domaine LG4/5 induit la migration des kératinocytes normaux humains (NHK), impliquant des MMPs pro-migratoires MMP-1 et MMP-9. Puisque les domaines LG4/5 ont été montrés comme participant à la dynamique du cytosquelette et au mouvement cellulaire par le biais des récepteurs syndécan-1 et -4, mon laboratoire d’accueil a décidé d’étudier l’implication du récepteur syndécan-1 dans ce processus d’expression de la MMP-9. Les analyses PCR et les résultats de zymographie obtenus ont révélé que le syndécan-1 joue un rôle dans l’expression et l’activation de la MMP-9 induite par le domaine LG4/5. De plus, la déplétion de l’expression du syndécan-1 dans les NHK a confirmé ces résultats. De précédents résultats de mon laboratoire d’accueil ont montré que le domaine LG4/5 induit la formation de filopodes médiée par le syndécan-1 au niveau du front de migration des kératinocytes. De ce fait, nous avons effectué des zymographies de gélatine in situ chez des NHK en migration afin d’observer la localisation de la MMP-9 et de savoir si cette dernière était trouvée au niveau de ces structures d’adhésion protrusives. Nous avons observé des zones de digestion de gélatine sous les NHK ressemblant à des points de contact d’adhésion. Leur nombre est augmenté chez des NHK traités avec le domaine LG4/5 de la LN332. L’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des gélatinases et de la MMP-9 ont révélé que cette dernière est responsable de la formation de ces zones de digestion de gélatine. Parce que ces structures évoquent des podosomes, nous avons décidé de révéler leurs constituants majoritaires, à savoir la cortactine, la vinculine, l’-actinine, VASP, WASP ou encore Arp2/3. Dans le même temps nous avons également révélé le syndécan-1 afin de voir si ce dernier était présent dans ces structures. Nos résultats ont montré que tous les marqueurs des podosomes étaient localisés soit sous la forme d’un point à l’intérieur des zones de digestion pour les protéines régulatrices de l’actine, soit sous la forme d’un anneau entourant les zones de digestion pour les protéines d’adhésion et de signalisation associées à la membrane, confirmant donc que les structures observées sont bien des podosomes. Le syndécan-1 apparaît également sous une forme d’anneau, entourant les protéines régulatrices de l’actine et les zones de digestion laissant penser que le syndécan-1 serait impliqué dans ces structures. La diminution de l’expression du syndécan-1, en utilisant l’approche des petits ARN interférents dans des NHK, a montré que l’absence de syndécan-1 diminue de façon drastique le nombre et la surface des zones digérées. L’ensemble de nos résultats montre que le syndécan-1 serait un constituant des podosomes des kératinocytes, participant à leur formation et jouant un rôle dans le contrôle de l’expression de la MMP-9 / During skin repair, the reepithelialization step is essential to restore the skin barrier function. lt occurs by an orderly series of events whereby keratinocyte migrate, proliferate and differentiate until complete epidermal restoration. Keratinocyte migration determines the efficiency of the overall wound repair process. The keratinocyte's migratory behavior depends on the production of growth factors, matrix metalloproteinases (MMP) and on the dynamic interactions of the cells with extracellular components. Laminin 332 (LN332), known as a major adhesion substrate for keratinocytes, was shown to contribute to skin reepithelialization through its a3 chain C-terminal domains LG4/5. Recent studies have reported that LG4/5 induces keratinocyte migration, an event that relies on the involvement of the pro-migratory MMP-1 and MMP-9. As LG4/5 domains were shown to participate in cytoskeleton dynamic and cell movement through binding of the heparan sulfate proteoglycans syndecan-1 and -4, we analyzed the potential involvement of these receptors in this process. The PCR analysis and zymography results revealed that syndecan-1 plays a role in LG4/5 induced MMP-9 expression and activation. Down regulating or overexpressing syndecan-1 expression in cells confirmed these findings. As LG4/5 was shown to induce the formation of syndecan-1-mediated filopodia at the front of migrating cells, we performed in situ zymography experiments in migrating keratinocyte to analyze whether MMP-9 is found in these protrusive adhesion structures. Very interestingly, we found areas of digested gelatin resembling adhesion contacts underneath keratinocytes. Their number was increased in LG45-treated keratinocytes, a result in line with our previous data. The use of specific MMP inhibitors revealed that MMP-9 is responsible for the formation of these digested gelatin clusters. Further confocal microscope analysis revealed, at the cellular level, the presence of actin located within the digested areas, suggesting that an adhesion receptor would be involved in this process. Because these structures resemble podosomes, we revealed major podosome components, such as cortactin, vinculin, -actinin, VASP, WASP, Arp2/3 or dynamin and integrin. Our results showed all the podosome markers either within the digested areas (regulatory actin proteins) or organized as ring encircling the digested areas (signaling and adhesion proteins associated with plasma membrane), confirming that these structures are podosomes. Syndecan-1 also appears as a ring around the digested areas and encircling the regulatory actin proteins, suggesting that this receptor could be involved in these structures. The syndecan-1 depletion in normal human keratinocytes with specific siRNAs drastically decreased the digested areas surface. Taken together, our data demonstrate that syndecan-1 is a podosome components, participating in their formation and playing a role in MMP-9 expression and deposition. These results suggest that its re-distribution at the front edge of migrating keratinocyte may have a role to play in the cleavage or degradation of extracellular matrix proteins therefore facilitating their path through the fibrin clot

Le remodelage osseux est un processus physiologique de renouvellement de l’os ancien par de l’os nouveau. Les ostéoclastes sont des cellules multinucléées géantes dont la fonction principale est de dégrader la matrice osseuse, première étape de ce remodelage. Le travail réalisé s’inscrit dans une thématique d’expertise de notre laboratoire, celle de l’organisation du cytosquelette d’actine dans les ostéoclastes résorbants. Nous avons pu élucider le rôle de la formation des podosomes et de leur organisation collective sur l’adhérence et la migration ostéoclastique. Nos résultats ont démontré que l’assemblage de podosomes sous forme de structures circulaires dites « anneaux » exerce une force centripète sur le substrat et ainsi déclenche la migration de l’ostéoclaste. L’alternance entre apparition et disparition de ces anneaux au sein de la cellule résulte en une migration saltatoire universelle pour tous les ostéoclastes.L’objectif principal de cette thèse était de trouver de nouveaux gènes impliqués dans l’organisation des podosomes. Nous avons mis en place une analyse transcriptomique comparant les ostéoclastes avec d’autres cellules multinucléées géantes qui présentent des podosomes mais sont incapables de résorber l’os. Parmi la liste de six gènes établie par cette méthode, nous avons étudié RhoE. En exploitant la culture d’ostéoclastes primaires déplétés de RhoE, nous avons démontré que ce gène est essentiel pour la migration ostéoclastique et la résorption osseuse. Nous avons ensuite établi que RhoE agit comme antagoniste de la voie de Rock pour assurer le renouvellement d’actine au sein des podosomes, ce qui entretien la fonction ostéoclastique. / Bone remodeling is a physiological process by which old bone is replaced by new bone. Osteoclasts are multinucleated giant cells of the monocytic lineage. Their function is bone resorption, the first step of bone remodeling. The work of this thesis is in continuity with a theme long developed in our laboratory, that of the actin cytoskeleton organization in bone-resorbing osteoclasts. Our first study investigated the role of the podosome organization in osteoclast spreading, adhesion and migration. Our results showed that podosome patterning into rings exerted outward tension upon the substrate and thereby triggered cell migration. Through cycles of assembly, growth and alternating disassembly, rings promote a saltatory mode of migration universal to all osteoclasts.The main objective of this thesis, however, was dedicated to finding new genes that govern podosome patterning in resorption-related processes such as osteoclast migration and sealing zone formation. To find such new genes, we employed a differential transcriptomic analysis of osteoclasts and osteoclast-like cells that exhibit podosomes but are unable to resorb bone. Among a list of six genes highly and exclusively expressed in osteoclasts, we chose to investigate RhoE, a constitutively active GTP-binding protein known for its regulation of actin structures. We provided evidence, using primary RhoE-deficient osteoclasts, that RhoE activity is essential to bone resorption. We unveiled a new role for RhoE in the control of actin turnover in podosomes through a Rock-antagonistic function. Finally, we demonstrated that the role of RhoE in osteoclasts is essential to their migration and sealing zone formation.

Les cellules BHK transformées par l'oncogène v-Src forment des invadopodia qui s'organisent successivement sous forme de paquets, anneaux et enfin ceintures d'invadopodia. L'expansion des anneaux d'invadopodia est due à la néoformation d'invadopodia à la périphérie de l'anneau et au désassemblage simultané des invadopodia situés au centre de l'anneau. L'orthovanadate, inhibiteur de tyrosine phosphatases, génère des expansions très rapides indiquant l'implication de phosphorylations sur tyrosine dans la formation des invadopodia à la périphérie et leur désassemblage au centre. La paxilline, une protéine hautement phosphorylée, responsable du désassemblage des adhérences focales, est également présente dans les invadopodia et induit le désassemblage des invadopodia au centre de l'anneau (processus indispensable à la formation et à l'expansion des anneaux), grace a un processus de phosphorylation de la paxilline sur les tyrosines 31 et 118, qui en retour active la MAP kinase Erk et la calpaine, responsable du clivage protéique des composants des invadopodia.

Podosomes are adhesive and invasive structures which may play an important role in numerous physiological and pathological conditions including angiogenesis, atherosclerosis, and cancer metastasis. Recently, the cysteine protease m-calpain (m-Capn) has been shown to cleave cortactin, an integral component of the podosomal F-actin core, as well as various proteins found in the peripheral adhesive region leading to the disassembly of these dynamic structures. In this study, I investigated whether Capn plays a role in the formation of podosomes downstream of c-Src. I show that: 1) phorbol-12, 13-dibutyrate (PDBu) as well as c-Src-Y527F expression induces podosome formation in mouse embryonic fibroblasts; 2) PDBu- and constitutively active c-Src-induced podosome formation is inhibited by the knockout of the m- and µ-Capn small regulatory subunit Capn4 in mouse embryonic fibroblasts (Capn4-/-), but is partially restored by re-expression of Capn4; 3) Capn4 localizes to podosomes; and 4) Inhibition of m- and µ-Capn proteolytic activity by the cell permeable calpain inhibitors has little effect on the formation of podosomes downstream of active c-Src. I conclude that Capn4 may play a role in the assembly phase of podosomes independent of calpain proteolytic activity. Work done in collaboration to determine a possible mechanism of action for the role of Capn4 in podosome assembly indicates that a possible binding partner of Capn4, β-PIX, co-localizes with, and shows in vivo association with Capn4. Furthermore, β-PIX and Capn4 bind directly in vitro in the presence of Ca2+. We conclude that Capn4 plays a role in podosome assembly, and this role may be through direct interaction with β-PIX in a calcium-dependent manner. / Thesis (Master, Biochemistry) -- Queen's University, 2008-09-26 16:16:00.768

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In the lung, epithelial cell migration plays a key role in both physiological and pathophysiological conditions. When the respiratory epithelium is injured, the epithelial lining in the respiratory system can be seriously damaged. Spreading and migrating of the surviving cells neighboring a wound are essential for airway epithelial repair. When the repair process is affected, aberrant remodeling may occur, which is important in the pathogenesis of lung diseases. However, in comparison with other cellular and molecular functions in the respiratory system, our understanding on lung epithelial cell migration and invasion is limited. To gain insight into the molecular mechanisms that govern these cellular processes, I asked whether normal (non-cancerous) human airway epithelial cells can form podosomes, a cellular structure discovered from cancer and mesenchymal cells that controls cell migration and invasion. I found that phorbol-12, 13-dibutyrate (PDBu), a protein kinase C (PKC) activator, induced podosome formation in primary normal human bronchial epithelial cells, and in normal human airway epithelial BEAS2B cells. PDBu-induced podosomes were capable of degrading fibronectin-gelatin-sucrose matrix. PDBu also increased the invasiveness of these epithelial cells. I further demonstrated that PDBu-induced podosome formation was mainly mediated through redistribution of conventional PKCs, especially PKCα, from the cytosol to the podosomes, whereas atypical PKCζ played a dominant role in the proteolytic activity of podosomes through recruitment of MMP-9 to podosomes, and MMP-9 secretion and activiation. I also found that that PDBu can activate PI3K/Akt/Src and ERK1/2 and JNK but not p38. PI3K, Akt and Src were critical for podosome formation, whereas ERK1/2 and JNK mediated the proteolytic activity of podosomes via MMP-9 recruitment, gene expression, release and activation without affecting podosome assembly. Podosomes are important for epithelial cell migration and invasion, thus contributing to respiratory epithelial repair and regeneration. My thesis work unveils the molecular mechanisms that regulate podosomal formation and proteolytic function in normal human bronchial epithelial cells. These novel findings may enhance our understanding of cell migration and invasion in lung development and repair. Similar mechanisms may be also applicable to other cell types in distinct organs.

In the lung, epithelial cell migration plays a key role in both physiological and pathophysiological conditions. When the respiratory epithelium is injured, the epithelial lining in the respiratory system can be seriously damaged. Spreading and migrating of the surviving cells neighboring a wound are essential for airway epithelial repair. When the repair process is affected, aberrant remodeling may occur, which is important in the pathogenesis of lung diseases. However, in comparison with other cellular and molecular functions in the respiratory system, our understanding on lung epithelial cell migration and invasion is limited. To gain insight into the molecular mechanisms that govern these cellular processes, I asked whether normal (non-cancerous) human airway epithelial cells can form podosomes, a cellular structure discovered from cancer and mesenchymal cells that controls cell migration and invasion. I found that phorbol-12, 13-dibutyrate (PDBu), a protein kinase C (PKC) activator, induced podosome formation in primary normal human bronchial epithelial cells, and in normal human airway epithelial BEAS2B cells. PDBu-induced podosomes were capable of degrading fibronectin-gelatin-sucrose matrix. PDBu also increased the invasiveness of these epithelial cells. I further demonstrated that PDBu-induced podosome formation was mainly mediated through redistribution of conventional PKCs, especially PKCα, from the cytosol to the podosomes, whereas atypical PKCζ played a dominant role in the proteolytic activity of podosomes through recruitment of MMP-9 to podosomes, and MMP-9 secretion and activiation. I also found that that PDBu can activate PI3K/Akt/Src and ERK1/2 and JNK but not p38. PI3K, Akt and Src were critical for podosome formation, whereas ERK1/2 and JNK mediated the proteolytic activity of podosomes via MMP-9 recruitment, gene expression, release and activation without affecting podosome assembly. Podosomes are important for epithelial cell migration and invasion, thus contributing to respiratory epithelial repair and regeneration. My thesis work unveils the molecular mechanisms that regulate podosomal formation and proteolytic function in normal human bronchial epithelial cells. These novel findings may enhance our understanding of cell migration and invasion in lung development and repair. Similar mechanisms may be also applicable to other cell types in distinct organs.

Le remodelage osseux est un processus physiologique de renouvellement de l'os ancien par de l'os nouveau. Les ostéoclastes sont des cellules multinucléées géantes dont la fonction principale est de dégrader la matrice osseuse, première étape de ce remodelage. Le travail réalisé s'inscrit dans une thématique d'expertise de notre laboratoire, celle de l'organisation du cytosquelette d'actine dans les ostéoclastes résorbants. Nous avons pu élucider le rôle de la formation des podosomes et de leur organisation collective sur l'adhérence et la migration ostéoclastique. Nos résultats ont démontré que l'assemblage de podosomes sous forme de structures circulaires dites " anneaux " exerce une force centripète sur le substrat et ainsi déclenche la migration de l'ostéoclaste. L'alternance entre apparition et disparition de ces anneaux au sein de la cellule résulte en une migration saltatoire universelle pour tous les ostéoclastes.L'objectif principal de cette thèse était de trouver de nouveaux gènes impliqués dans l'organisation des podosomes. Nous avons mis en place une analyse transcriptomique comparant les ostéoclastes avec d'autres cellules multinucléées géantes qui présentent des podosomes mais sont incapables de résorber l'os. Parmi la liste de six gènes établie par cette méthode, nous avons étudié RhoE. En exploitant la culture d'ostéoclastes primaires déplétés de RhoE, nous avons démontré que ce gène est essentiel pour la migration ostéoclastique et la résorption osseuse. Nous avons ensuite établi que RhoE agit comme antagoniste de la voie de Rock pour assurer le renouvellement d'actine au sein des podosomes, ce qui entretien la fonction ostéoclastique.

In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.

In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.