Les plantes induisent des réponses de défense après la perception de pathogènes. Des protéines appelées mitogen-activated protein kinases (MAPKS) sont impliquées dans le réseau complexe de signalisation établi pendant cette défense. Cependant, la connaissance actuelle de leur fonction est encore limitée. L'objectif de ma thèse était de contribuer à une meilleure compréhension de leur rôle et régulation pendant la défense. Premièrement, j'ai participé au décryptage des contributions spécifiques et coopératives de trois MAPKS impliquées dans l'immunité, à savoir MPK3, MPK4 et MPK6. Nous avons montré que ces MAPKS sont d'importants régulateurs de la reprogrammation transcriptionnelle induite pendant la défense. Deuxièmement, nous avons réalisé des approches de phosphoprotéomique et nous avons développé un protocole permettant d'enrichir des protéines associés à la chromatine, ce qui a permis d'identifier de nouveaux phosphosites ainsi que des protéines différemment phosphorylées pendant la défense, notamment de probables substrats des MAPKS. Troisièmement, nous avons identifiés plusieurs dizaines de protéines interagissant potentiellement avec le module MEKKI-MKK2-MPK4. Globalement, ce travail a révélé de nouvelles fonctions des MAPKS dans l'immunité des plantes. Ce travail a aussi permis d'identifier de nouveaux substrats potentiels des MAPKS et suggère que le module MEKK1-MKK2-MPK4 est soumis à une régulation hautement complexe via de multiples interacteurs proétiques et PTMS. / Plants induce defense responses after perception of invading pathogens. Proteins called mitogen-activated protein kinases (MAPKS) are implicated in the complex signaling network occuring in plant immunity. However, the current knowledge of their function is still limited. The objective of my PHD was to contribute to a better understanding of their role and regulation in plant defense. First, i was involved in the deciphering of the specific and cooperative contributions of three MAPKS involved in plant immunity, namely MPK3, MPK4 and MPK6. We charcacterized several hallmarks of defense in WT and MAPK mutant plants. We showed notably that immune MAPKS are important regulators of the transcriptional reprogramming occuring during defense. Second, we applied phosphoproteomic approaches and we developed a protocol to enrich for chromatin-associated proteins which allowed identifying new phosphosites as well as proteins differentially phosphorylated during defense, notably some probable MAPKS substrates. Third, we identified several tens proteins potentially interacting with the immune MEKK1-MKK2-MPK4 module via the purification of protein complexes in vivo. Fourth, we identified diverse post-translational modification (PTMS) on each component of the MEKK1-MKK2-MPK4 module. Overall, this work revealed new functions for MAPKS in plant immunity. This work also provided new candidate MAPK substrates and suggests that the MEKK1-MKK2-MPK4 module is subjected to a highly complex regulation via multiple interacting proteins and PTMS.

Les récepteurs 5-HT2A de la sérotonine et mGlu2 du glutamate suscitent un grand intérêt vu la dérégulation des deux récepteurs observée dans la schizophrénie et leur statut de cibles des antipsychotiques dits atypiques et de nouvelle génération, respectivement. Même si les antipsychotiques atypiques ciblant le récepteur 5-HT2A ont montré une efficacité contre les symptômes positifs, leur effet reste très limité contre les symptômes négatifs et cognitifs, et leurs effets secondaires nombreux. Depuis les années 1990, une nouvelle classe d’antipsychotiques ciblant le système glutamatergique, en particulier le récepteur mGlu2, est en développement. Les tests cliniques n’ont montré leur efficacité que pour les patients n’ayant pas été traités auparavant par des antipsychotiques atypiques. Ceci suggère une interaction fonctionnelle forte entre les récepteurs 5-HT2A et mGlu2 dans le mode d’action de ces deux classes d’antipsychotiques. De plus, plusieurs études ont démontré l’existence d’un hétéromère des deux récepteurs dans le cortex préfrontal qui semble important pour la réponse aux hallucinogènes et aux antipsychotiques ciblant l’un ou l’autre récepteur. Ainsi, étant donné l’impact du profil de phosphorylation adopté par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sur leur fonction, j’ai caractérisé au cours de ma thèse l’impact de la co-expression du récepteur 5-HT2A sur le profil de phosphorylation du récepteur mGlu2 en réponse à différentes stimulations. Parmi les 5 sites de phosphorylation identifiés, la phosphorylation de la Ser843 est potentialisée en réponse à la stimulation par un agoniste du récepteur mGlu2 uniquement lorsque le récepteur 5-HT2A est co-exprimé. Ces résultats ont été validés grâce à la génération d’un nouvel anticorps dirigé spécifiquement contre la forme phosphorylée de la Ser843 sur culture cellulaire HEK-293 et in vivo dans le cortex préfrontal de souris, région où les deux récepteurs sont co-exprimés. Des études fonctionnelles ont démontré que la phosphorylation de la Ser843 est nécessaire à la potentialisation de l’activité Gi/o du récepteur mGlu2 en réponse à ses agonistes et constitue un cross-talk fonctionnel entre les deux récepteurs puisque les agonistes du récepteur 5-HT2A stimulent également la phosphorylation de la Ser843 du récepteur mGlu2. Ainsi, mes résultats de thèse ont permis d’identifier la phosphorylation du récepteur mGlu2 sur la Ser843 comme un événement moléculaire clé du cross-talk fonctionnel avec le récepteur 5-HT2A et apporte un élément important dans la compréhension du mode d’action des antipsychotiques atypiques et de nouvelle génération. / The serotonin 5-HT2A and glutamate mGlu2 receptors keep on attracting particular attention given their implication in psychosis associated with schizophrenia and in the mechanism of action of atypical antipsychotics and of a new class of antipsychotics, respectively. Though atypical antipsychotics, targeting 5-HT2A receptor, are efficient against positive symptoms, these drugs do not act against negative, cognitive symptoms and display many side effects. Since the 90’s, new classes of antipsychotics triggering glutamatergic system, in particular mGlu2 receptor, have been developed. Their clinical trials have shown efficacy only in patients who have not been previously treated with atypical antipsychotics. This suggests a strong interaction between 5-HT2A and mGlu2 receptors in the mechanism of action of both classes of antipsychotics. Moreover, a large body of evidence indicates the presence, in prefontal cortex, of 5-HT2A/mGlu2 heteromer that is important for the response to hallucinogens and antipsychotics targeting one receptor or the other. Thus, in view of the importance of the phosphorylation profile adopted by G-protein coupled receptor (GPCR) on their activity, I characterized the impact of 5-HT2A receptor co-expression on the phosphorylation profile of mGlu2 receptor in response to various stimulations. Among the five identified phosphorylated residues, the phosphorylation of Ser843 increases upon mGlu2 receptor stimulation only when the 5-HT2A receptor is co-expressed. A new antibody against the phosphorylated form of Ser843 confirmed these results in HEK-293 cells and in mouse prefrontal cortex, area where both receptors are co-expressed. Functional studies demonstrated that Ser843 phosphorylation is necessary to enhance Gi/o signaling of mGlu2 receptor and constitutes a functional crosstalk between 5-HT2A and mGlu2 receptor since 5-HT2A receptor agonists also stimulate Ser843 phosphorylation. Collectively, my thesis findings identify mGlu2 receptor phosphorylation at Ser843 as a key molecular event of the functional crosstalk with 5-HT2A receptor that might be critical to understand the mechanism of action of atypical and potential future antipsychotics treatments.

L'entrée en mitose est initiée par le complexe cycline B – Cdk1. La phosphorylation de ses substrats déclenche des transformations incluant la condensation des chromosomes, le bris de l'enveloppe nucléaire et la formation d'un fuseau mitotique. Ces transformations permettent à la cellule de se diviser. La protéine phosphatase 2A (PP2A) en complexe avec sa sous-unité B55/Twins (Tws) reconnaît et déphosphoryle les substrats de cycline B – Cdk1. Pour éviter la déphosphorylation précoce des phosphoprotéines mitotiques, PP2A-B55/Tws est inhibée en entrée de mitose. Cette inhibition de la phosphatase est attribuable au module Greatwall (Gwl) – endosulfines. Activée en entrée de mitose, la kinase Gwl phosphoryle les endosulfines, qui inhibent alors de manière spécifique PP2A-B55/Tws. Gwl est exportée du noyau vers le cytoplasme en prophase, avant le bris de l’enveloppe nucléaire. Les mécanismes de régulation spatiotemporelle du module Gwl – endosulfines – PP2AB55/Tws ne sont pas entièrement élucidés. De plus, les substrats ciblés par PP2AB55/Tws en sortie mitose ne sont pas tous identifiés à ce jour. Dans mon travail de thèse, j’ai trouvé que Tws peut transiter par le noyau via un signal de localisation nucléaire (NLS), mais que ses fonctions essentielles sont au cytoplasme. De plus, j’ai trouvé que l’unique endosulfine présente chez Drosophila melanogaster, Endos, a une localisation cytoplasmique. Cette localisation est requise pour qu’Endos soit efficacement phosphorylée par la forme active et cytoplasmique de Gwl. Endos phosphorylée lie ensuite PP2A-Tws pour l’inhiber. Empêcher la localisation cytoplasmique d’Endos avant le bris de l’enveloppe nucléaire entraîne des défauts mitotiques dépendants de l’activité de PP2A-Tws. Les substrats mitotiques de PP2A-Tws ne sont pas tous connus. Par des cribles de phosphoprotéomique, j’ai identifié des substrats mitotiques potentiels de PP2A-Tws. L’un des candidats hyperphosphorylés suite à la déplétion de Tws, Otefin (Ote), est une protéine de l’enveloppe nucléaire. Les sites de phosphorylation d’Otefin identifiés dans mes cribles sont adjacents à son domaine d’interaction avec BAF, une protéine liant l’ADN et certaines protéines de l’enveloppe nucléaire. L’introduction de mutations phosphomimétiques à ces sites abolit l’association d’Otefin avec BAF, en plus de retarder le recrutement d’Otefin à l’enveloppe nucléaire en sortie de mitose. Par ailleurs, l’association Otefin – BAF dépend de l’activité de PP2A-Tws. Enfin, la perte d’Otefin dans l’embryon syncytial de mouche affecte le développement. En somme, mes travaux ont permis d’approfondir notre compréhension mécanistique de la régulation spatiotemporelle du module Gwl – endosulfines – PP2A et d’identifier de nouveaux substrats potentiels de PP2A-Tws. / Mitosis is triggered by the cyclin B – Cdk1 complex that phosphorylates multiple substrates to promote transformations such as chromosome condensation, nuclear envelope breakdown and mitotic spindle formation. These transformations are required for cell division. The protein phosphatase 2A (PP2A) in complex with its B55/Twins (Tws) subunit dephosphorylates cyclin B – Cdk1 substrates. To prevent premature dephosphorylation of the mitotic phosphoproteins, PP2A-B55/Tws is inhibited upon mitotic entry. The Greatwall (Gwl) – endosulfines pathway is responsible for PP2AB55/Tws inhibition. Activated upon mitotic entry, the Gwl kinase phosphorylates small proteins called endosulfines to turn them into specific inhibitors of PP2A-B55/Tws. Gwl is exported from the nucleus to the cytoplasm before nuclear envelope breakdown. However, the mechanisms of spatiotemporal regulation of the Gwl – endosulfines – PP2A module are not entirely elucidated. Moreover, the identity of the proteins targeted by PP2A-Tws during mitotic exit is still unclear. During my PhD training, I found that Tws can transit through the nucleus via a nuclear localization signal (NLS), but its essential functions are cytoplasmic. Moreover, the sole endosulfine present in Drosophila melanogaster, Endos, has a cytoplasmic localization. Such localization is required for efficient phosphorylation of Endos by active and cytoplasmic Gwl. Once phosphorylated, Endos binds PP2A-Tws to inhibit its activity. Preventing the cytoplasmic localization of Endos prior to nuclear envelope breakdown causes mitotic defects that are PP2A-Tws-dependent. The mitotic substrates of PP2A-Tws are not all identified. By phosphoproteomic screening, I identified potential novel PP2A-Tws substrates. Among the hits that are hyperphosphorylated following Tws depletion, there is the nuclear envelope protein Otefin (Ote). The identified phosphosites on Otefin are adjacent to its domain of interaction with BAF, a protein binding DNA and nuclear envelope proteins. Introducing phosphomimetic mutations at these sites abolishes the Otefin – BAF association and delays Otefin recruitment at the reforming nuclear envelope during mitotic exit. Moreover, the Otefin – BAF association is PP2A-Tws-dependent. Finally, loss of Otefin in the syncytial embryo of the fly impairs development. Altogether, my results deepen our understanding of the spatiotemporal coordination of the Gwl – endosulfines – PP2A module and provide potential novel PP2A-Tws substrates.

Mon travail de thèse consistait à étudier la signalisation oncogénique de la tyrosine kinase (TyrK) cytoplasmique Src dans les cellules de cancer colorectal (CCR) à un stade avancé par une approche globale de phosphoprotéomique quantitative de type SILAC puis d'évaluer l'efficacité du Nilotinib, un inhibiteur de la Tyrk oncogénique BCR-Abl, sur les propriétés invasives des cellules de CCR. Dans un premier temps, nos résultats ont confirmé le rôle clé joué par Src dans l'acquisition des propriétés invasives de la tumeur. Puis, l'approche phosphoprotéomique de type SILAC a permis de mettre en évidence 136 protéines substrats de Src parmi lesquelles nous retrouvons des protéines de signalisation, des protéines associées au cytosquelette ou des protéines du trafic vésiculaire. De manière intéressante, j'ai révélé l'implication d'un réseau de TyrK dans les propriétés invasives Src-dépendantes. Nos résultats suggèrent qu'une thérapie multi-TyrK pourrait s'avérer intéressante pour traiter les CCR à un stade avancé. En complément de l'analyse SILAC, j'ai initié une approche pharmacologique pour caractériser les TyrK impliquées dans l'invasion des cellules de CCR. De manière surprenante, j'ai observé que le Nilotinib inhibe l'activité invasive des cellules de CCR avec une efficacité comparable à celle observée sur la croissance des cellules de LMC (IC50=20nM). Des approches d'invalidation génétique et de mutagénèse couplées à des tests d'invasion in vitro et in vivo ont permis de démontrer que le Nilotinib exerce son activité anti-invasive en ciblant le récepteur au collagène DDR1. Mes résultats laissent présager un intérêt thérapeutique potentiel du Nilotinib dans le traitement du cancer colorectal métastasant. / My thesis work was devoted to decipher the oncogenic signaling of the cytoplasmic tyrosine kinase (TyrK) Src in advanced colorectal cancer (CRC) cells using SILAC quantitative phosphoproteomics and to evaluate the efficiency of the oncogenic BCR-Abl inhibitor, Nilotinib, on the CRC cell invasive activity. Firstable, our results confirmed the key role of Src in the induction of cell invasion. Then, the SILAC phosphoproteomic approach revealed 136 Src substrates among which signaling proteins, cytoskeleton associated proteins or vesicular trafficking associated proteins. Interestingly, I have identified a TyrK network involved in Src-dependent invasive properties. Taken together, our results suggest that a multi-TyrK therapy may be interesting in clinic for the treatment of advanced CRC. In addition to the SILAC analysis, a pharmacological approach was set up to characterize TyrK involved in CRC cell invasion. Surprisingly, I found that Nilotinib inhibits CRC cell invasive activity with a similar efficiency to the one observed on the growth of CML (IC50 = 20nM). Knock down and mutagenesis experiments together with in vitro and in vivo invasion assay revealed the collagen receptor DDR1 as the main Nilotinib target in its anti-invasive activity. Our results suggest that Nilotinib could be of therapeutic value in metastatic CRC.

La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la facilité du passage de l'eau au travers des racines. Ce paramètre, majoritairement contrôlé par l'activité de canaux hydriques membranaires (aquaporines), est modulable par diverses contraintes environnementales. Ce travail a permis de caractériser, sur un même organisme (Arabidopsis), les effets d'un ensemble de contraintes abiotiques et biotiques, représentatives de situations environnementales, sur la Lpr. Alors que la flagelline n'affecte pas la Lpr, les contraintes osmotiques (NaCl, mannitol), oxydantes (H2O2, NO) et nutritionnelles (carence en phosphate, en nitrate, culture des plantes en nuit prolongée) inhibent la Lpr. Par contre, la réalimentation en phosphate ainsi que l'addition de saccharose à des plantes cultivées en nuit prolongée stimulent la Lpr. Une approche phosphoprotéomique quantitative, basée sur l'analyse par MS de protéines microsomales racinaires purifiées à partir de plantes cultivées dans trois de ces contextes (NaCl, NO, phosphate) a permis de quantifier les variations d'abondance de l'ensemble des aquaporines racinaires ainsi que de leur état de MPT. D'un point de vue qualitatif, 22 aquaporines ont été identifiées dans la racine ainsi que plusieurs types de MPTs, incluant des nouveaux sites de phosphorylation (7), de méthylation (13 à 15), de formylation (4) et de déamidation (25 à 26). D'un point de vue quantitatif, cette étude a permis de conclure que les observations réalisées au niveau de la Lpr sont la résultante de mécanismes multifactoriels incluant l'état de phosphorylation des trois sites de l'extrémité C terminale de PIP2;1/2;2/2;3, l'état de phosphorylation de l'extrémité N terminale de PIP1;1/1;2, ainsi que les aquaporines TIPs. Ce travail permet donc de proposer de nouveaux mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la Lpr en réponse à des contraintes de l'environnement / The water uptake capacity of plant roots (root hydraulic conductivity, Lpr) is mainly determined by water channels (aquaporins) and is modulated by environmental constraints. The present work characterised, in a unique organism (Arabidopsis), effects on Lpr of abiotic and biotic constraints representative of environmental situations. Whereas flagelline does not affect Lpr, osmotic (NaCl or mannitol), oxidative (H2O2 or NO) and nutritional (phosphate or nitrate starvation, prolonged night) stimuli inhibit Lpr. However, phosphate and sucrose resupply stimulate Lpr. A phosphoproteomics approach based on MS analysis of microsomal proteins extracted from roots of plants cultivated in different environmental constraints (NaCl, NO,phosphate starvation and resupply) allowed to quantify variations of abundance of roots aquaporins and of their PTMs. As a qualitative point of view, 22 aquaporins were identified in roots as well as several post-translational modifications including new sites of phosphorylation (7), methylation (13 to 15), formylation (4) and deamidation (25 to 26). From a quantitative point of view, the present work drove to the conclusion that the modulations of Lpr result from multifactorial mechanisms including the phosphorylation status of the C terminal part of PIP2;1/2;2/2;3 and of the N-terminal part of PIP1;1/1;2 and TIP aquaporins. This study proposes new molecular mechanisms implicated in Lpr regulation in response to various environmental situations.

Le récepteur tyrosine kinase FLT3 est impliqué dans le maintien et le renouvellement des cellules souches et des progéniteurs hématopoïétiques. Dans environ 30% des cas de leucémies aiguës myéloïdes, il est activé constitutivement par des mutations, dont les plus fréquentes impliquent une duplication de séquence dans le domaine juxtamembranaire (Internal Tandem Duplication, ou ITD). Des inhibiteurs chimiques de FLT3 ont été développés dans le cadre de thérapies anti-cancéreuses, mais leurs essais cliniques se sont révélés assez décevants avec des effets essentiellement transitoires. Par ailleurs, certaines études ont mis en évidence une signalisation intracellulaire spécifique au mutant FLT3-ITD, comme l’activation spécifique de STAT5a. Ces données soulignent la nécessité d’étudier exhaustivement et en détail la signalisation intracellulaire induite par le récepteur FLT3 et ses mutants oncogéniques dans des modèles pertinents, avec l’espoir d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous avons surexprimé FLT3 et sa forme mutante ITD dans la lignée murine de progéniteurs myéloïdes FDCP-1/Fms. Ce modèle s’est avéré représentatif des processus observés in vivo en termes de survie, de prolifération et de différenciation monocytaire. Nous l’avons alors utilisé dans une approche protéomique pour identifier des protéines différemment phosphorylées et/ou exprimées entre les deux cas. L’utilisation d’ARN interférant et la surexpression des protéines candidates ou de leurs mutants a permis de révéler l’implication fonctionnelle de plusieurs d’entre elles dans la signalisation FLT3, telles que Hcls1, Ezrin, et PAK1 qui sont toutes des régulateurs du cytosquelette / The FLT3 receptor is involved in stem cells and myeloid progenitors self renewal processes. In about 30% of the acute myeloid leukemia cases, this receptor is mutated and constitutively active, the most common mutation being duplication of sequences in the juxtamembrane domain (Internal Tandem Duplication, ITD). Many chemical inhibitors of FLT3 have been developed for anti-cancer therapies but the clinical trials were a bit disappointing, showing mainly transient effect on blast reduction. Several studies have shown that FLT3-ITD triggers a different signaling from the wild-type receptor, like the specific activation of STAT5a. These data show the necessity of the exhaustive and detailed study of the intracellular signaling induced by FLT3 and its oncogenic mutants, to identify new therapeutic targets. We have overexpressed wild-type and ITD mutant forms of FLT3 in the murine myeloid progenitors cell line FDCP-1/Fms. This model proved it-self representative of the in vivo processes described in the literature in terms of survival, proliferation and monocytic differentiation. Consequently, we have used it for a proteomic approach to identify differentially expressed and/or phosphorylated proteins depending on FLT3 status. Using RAN interference and overexpression of these identified candidate proteins, we have demonstrated the functional involvement of several of them in FLT3 signaling, including Hcls1, Ezrin, and PAK1, which all regulate the cytoskeleton

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Le récepteur de la sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) 2A a été identifié comme la cible principale des hallucinogènes psychédéliques comme le diéthylamide de l'acide lysergique (LSD). Ces agonistes sont connus pour reproduire quelques uns des principaux symptômes de la schizophrénie. Un paradoxe non résolu est que seuls certains agonistes des récepteurs 5-HT2A présentent une activité hallucinogène, alors que des composés de structure apparentée avec une affinité comparable au niveau du récepteur n'ont pas des propriétés psychoactives. En utilisant une approche quantitative phosphoproteomic combinant un marquage isotopique stable en acides aminés dans la culture cellulaire (SILAC), un double enrichissement en phosphopeptides par chromatographie d'interaction hydrophile (HILIC) / chromatographie d'affinité (IMAC) et la spectrométrie de masse haute résolution, nous avons comparé les phosphoprotéome dans des cellules HEK-293 cellules exprimant de manière transitoire le récepteur 5-HT2A sous trois conditions: cellules non stimulées, cellules exposées aux hallucinogènes [2,5-diméthoxy-4-iodophényl]-2-aminopropane (DOI) et LSD les cellules exposées aux agonistes non- hallucinogènes Lisuride et Ergotamine. Parmi les 5996 phosphopeptides identifiés, 454 sont spécifiquement régulés par les hallucinogènes. Il s'agit notamment d'un résidu sérine du récepteur 5-HT2A éventuellement impliqués dans la régulation de la désensibilisation des récepteurs qui a été spécifiquement phosphorylée lors de l'exposition aux deux hallucinogènes. La phosphorylation différentielle des récepteurs 5-HT2A dans les cellules exposées aux agonistes hallucinogènes (DOI et le LSD) vs non hallucinogènes (lisuride et l'ergotamine) a été confirmé par l'analyse par spectrométrie de masse du récepteur purifié. Parallèlement, l'exposition des cellules aux agonistes hallucinogènes induit une internalisation et une désensibilisation des récepteurs moins prononcée qu'après exposition à la non-agonistes hallucinogènes. En conclusion, les résultats de cette thèse révèlent que la stimulation du récepteur 5-HT2A par les hallucinogènes et les agonistes non hallucinogènes induit deux modèles différents de phosphorylation qui pourraient être impliqués directement dans leurs réponses comportementales distinctes. ils fournissent également l'une des premières manifestations de la phosphorylation différentielle d'un récepteur couplé aux protéines G lors de la stimulation du récepteur par des agonistes biaisée. / The serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT)2A receptor has been identified as the primary target of psychedelic hallucinogens such as lysergic acid diethylamide (LSD), which reproduce some of the core symptoms of schizophrenia. A non-resolved paradox is that only some 5-HT2A receptor agonists exhibit hallucinogenic activity, whereas structurally related compounds with comparable affinity and agonist activity lack psychoactive properties. Using a quantitative phosphoproteomic approach combining stable isotope labelling by amino acids in cell culture (SILAC), phosphopeptide enrichment by hydrophilic interaction chromatography (HILIC) / immobilized metal affinity chromatography (IMAC) and high resolution mass spectrometry, we compared the phosphoproteome in HEK-293 cells transiently expressing the 5-HT2A receptor under three conditions: non-stimulated cells, cells exposed to the phenethylamine hallucinogen 1-[2,5-dimethoxy-4-iodophenyl]-2-aminopropane (DOI) and cells exposed to the non-hallucinogenic 5-HT2A agonist lisuride. Among the 5,996 identified phosphopeptides, 454 were specifically regulated by DOI but not by lisuride. These include a serine residue of 5-HT2A receptor possibly involved in regulation of receptor desensitization which was specifically phosphorylated upon DOI exposure. Differential phosphorylation of 5-HT2A receptor in cells exposed to hallucinogenic (DOI and LSD) vs. non-hallucinogenic (lisuride and ergotamine) agonists was further confirmed by mass spectrometry analysis of purified receptor. Correspondingly, cell exposure to hallucinogenic agonists induced a less pronounced receptor desensitization and internalization than exposure to non-hallucinogenic agonists. In conclusion, our phosphoproteomic analysis revealed that 5-HT2A receptor stimulation by hallucinogenic and non hallucinogenic agonists induces different phosphorylation patterns that might underlie their distinct behavioural responses. It also provides one of the first demonstrations of differential phosphorylation of a G protein-coupled receptor upon stimulation by biased agonists.

Les kinases de la famille Pim sont impliquées dans de nombreux cancers hématologiques dont la leucémie aigüe myéloïde (LAM) et le myélome multiple. Contrairement à la plupart des autres protéines kinases dont l’activation nécessite la phosphorylation préalable du domaine catalytique, l’activité des Pim kinases est constitutive. Les mécanismes de régulation de l’expression de Pim2 ainsi que ses mécanismes d’action sont très peu connus. Une partie de mon projet a consisté en l’étude de l’expression et de la stabilité de Pim dans des cellules de LAM et de myélome. J’ai montré que l’expression de Pim2 est régulée au niveau transcriptionnel par STAT5. Les trois isoformes de Pim2 ont une demi-vie très courte. Leur rapide dégradation semble constitutive et indépendante des relais de signalisation intracellulaire. Elle implique la machinerie du protéasome mais ne semble pas nécessiter l’ubiquitination préalable de la protéine. Les formes de Pim2 qui s’accumulent dans les cellules sous l’action des inhibiteurs du protéasome sont constitutivement actives. Ces premières données m’ont conduit à envisager l’intérêt d’inhibiteurs de Pim dans le myélome multiple, où l’inhibition du protéasome comme traitement favorise l’accumulation de cette kinase oncogénique. La seconde partie de mon projet a consisté en l’identification de substrats et de partenaires potentiels de Pim2 dans les LAM. Pour cela, j’ai mis au point une méthode de marquage métabolique couplée à une analyse phosphoprotéomique quantitative globale, ainsi qu’une analyse de l’interactome de Pim2 après avoir produit un anticorps contre cette protéine. Les informations obtenues m’ont permis de montrer l’activation de la voie mTORC1 par Pim2 et d’identifier la Polo-Like Kinase (PLK1) comme un nouveau substrat et partenaire de Pim2. Mes résultats montrent une colocalisation de Pim2 et de PLK1 au cours des différentes phases de la mitose et en particulier au niveau du corps intermédiaire lors de la séparation des cellules filles. / The kinases of Pim family are implicated in many haematological cancers, whose Acute Myeloid Leukemia (AML) and multiple myeloma. Contrary of the most others proteins kinases which needs activation by the preliminary phosphorylation of catalytic domain, the activity of Pim kinases is constitutive. The regulation of Pim2 expression and its mechanisms of action are not well-known. One part of my project consisted in the study of the expression and stability of Pim2 in AML and myeloma cells. I have shown that the expression of Pim2 is regulated at transcriptional level by STAT5. The three isoforms of Pim2 have very short half-lives. Theirs fast degradations seem to be constitutive and independent of intracellular pathway. It involves the proteasome machinery but not seems to need the preliminary ubiquitination of the protein. Forms of Pim2 accumulated in the cells when the proteasome is inhibited are actives. These firsts data drove me to think about the interest of Pim inhibitor in multiple myeloma, where the using of proteasome inhibitor as treatment increase the accumulation of this oncogenic kinase. The second part of my project was to identify the potentials substrates and partners of Pim2 in AML. In this aim, I developed a method of metabolic labelling coupled with a global quantitative phosphoproteomic approach, as well as a specific antibody targeted against this protein to realize an interactome analysis of Pim2. The informations obtained allowed me to show the activation of mTORC1 pathway by Pim2 and to identify the Polo-Like Kinase (PLK1) as a new substrate and partner of Pim2. My results show that Pim2 and PLK1 are colocalized during the differents mitotic phases, particularly at the midbody level during the separation of cell.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.