Les checkpoints de l'ADN coordonnent les réponses cellulaires aux dommages de l'ADN et au blocage de la réplication des cellules eucaryotes. Chez Saccharomyces cerevisiae, la protéine kinase Rad53 occupe une place centrale au sein des checkpoints de l'ADN. Afin d'identifier de nouveaux partenaires de Rad53, une approche génétique a été développée, utilisant l'allèle dominant létal RAD53-DL qui déclenche constitutivement des réponses cellulaires normalement induites par des lésions de l'ADN. Notre hypothèse est que l'absence des activateurs ou des substrats de Rad53 pourrait rétablir la croissance. Nous avons donc recherché, à l'échelle du génome de S. cerevisiae, les gènes qui suppriment la toxicité de RAD53-DL lorsqu'ils sont inactivés. 110 gènes ont été isolés et classés en groupes fonctionnels. Un groupe a particulièrement retenu notre attention. Il est composé de huit gènes dont l'inactivation confère à la cellule une hyper-résistance à plusieurs stress génotoxiques. Trois de ces gènes codent des composants du protéasome 26S, l'enzyme central du système de dégradation ubiquitine-dépendante des protéines qui joue un rôle crucial dans la plupart des processus cellulaires. Le protéasome est une structure macromoléculaire très sophistiquée composée d'une partie catalytique, la particule 20S, associée au complexe régulateur 19S, lui même formé de 2 sous-complexes, la base et le couvercle. Son assemblage comprend de nombreuses étapes ordonnées. Au moment du crible, un seul chaperon du protéasome était connu chez la levure, la protéine Ump1, impliquée dans les étapes finales de maturation du protéasome 20S. Par des analyses génétiques et biochimiques, nous avons caractérisé les cinq autres membres du groupe fonctionnel « protéasome », dont la fonction était jusqu'alors inconnue. Les gènes YLR021W, YPL144W, YLR199C et YKL206C, que nous avons baptisés POC1-4 (Proteasome Chaperone), codent 4 protéines formant deux paires de chaperons du protéasome 20S (Poc1-Poc2 et Poc3-Poc4) agissant en amont de Ump1. HSM3 code la première protéine chaperonne de la particule régulatrice du protéasome. Hsm3 s'associe avec la base du 19S et assiste son assemblage. Son rôle est également de réguler l'association du 19S en formation avec le protéasome 20S. Nous avons identifié les homologues mammifères de Poc1-4 (PAC1-4) et Hsm3 (S5b), mettant ainsi en lumière une conservation remarquable des facteurs d'assemblage du protéasome au cours de l'évolution

Les mutations du gène LMNA, codant les lamines A/C, des protéines ubiquitaires de l'enveloppe nucléaire, sont responsables de formes autosomiques de dystrophie musculaire d'Emery-Dreifuss (EDMD), pathologie associant une atteinte des muscles squelettiques et une cardiomyopathie dilatée (DCM) avec troubles rythmiques et/ou conductifs. Lors de ma thèse j'ai analysé le phénotype musculaire et cardiaque de souris LmnaΔK32/+ (Het), mutation identifiée chez des patients présentant une EDMD sévère. Les souris Het n'ont pas d'atteinte musculaire mais développent une DCM conduisant au décès entre l'âge de 35 et 7O semaines. Le niveau de lamines A/C est diminué de 50% dans le cœur des souris Het avant et au début de la DCM mais similaire aux Wt chez les souris Het souffrant de DCM. La diminution de la quantité de lamines A/C est liée à leur dégradation par le système ubiquitine-protéasome (UPS) dont la fonction est altérée dans le cœur des souris Het, conduisant à l'augmentation de la quantité de lamines K32 avec l'âge. In vitro, l'accumulation des lamines A/C K32 conduit à leur agrégation nucléaire, suggérant un effet dominant négatif de ces protéines mutées. Pour conclure, la souris LmnaΔK32/+ est le premier modèle murin porteur d'une mutation du gène Lmna qui développe une cardiomyopathie isolée à l'état hétérozygote. L'UPS joue un rôle important dans la dégradation des lamines A/C mutées, limitant leur effet délétère. Les mécanismes physiopathologiques à l'origine de la DCM chez les souris Het sont donc doubles : à l'haploinsuffisance des lamines A/C, connue comme préjudiciable pour le cœur, s'ajoute un effet poison des lamines mutées augmentant avec la dysfonction de l'UPS

70% des mutations identifiées sur le gène responsable de la mucoviscidose correspondent à la délétion de la phénylalanine en position 508 du domaine NBD1 de la protéine CFTR. Cette mutation est responsable, à 37°C, d'un mauvais repliement, du blocage et de la dégradation rapide de CFTR au niveau du réticulum endoplasmique (RE). Plusieurs études ont montré que CFTR-F508del est dégradée au niveau du cytoplasme par le protéasome après translocation à travers le canal Sec61. Cependant cette dégradation n'est pas affectée par l'ATP et n'est inhibée que partiellement par les inhibiteurs les plus spécifiques du protéasome. Par ailleurs, une série d'observations a suggéré que la dégradation de CFTR-F508del est un processus impliquant d'autres voies protéolytiques dont la nature reste encore inconnue.<br />Au cours de mon doctorat, j'ai essayé de caractériser ces voies de dégradation en approfondissant le rôle de l'ATP et du protéasome et surtout en mettant en évidence l'implication de voies dépendantes du GTP. Mon travail a été réalisé en deux étapes. La première a porté sur l'étude de la dégradation de CFTR mutée au niveau microsomale, et la deuxième sur la caractérisation de cette voie au niveau cellulaire. L'ensemble des résultats montre, pour la première fois, qu'il n'y a pas de corrélation entre l'activité protéasomale et la dégradation de CFTR-F508del au niveau du RE. Cette dernière est dégradée par une voie GTP-dépendante impliquant les protéines G hétérotrimériques et localisée au niveau du RE.

En France la prise en charge des grandes douleurs fait toute sa place à la morphine. Cependant la prise prolongée de morphine entraîne la tolérance et la dépendance. Une stratégie de protéomique différentielle a été entreprise afin d'identifier les adaptations cellulaires à un traitement par la drogue dans des cellules SH-SY5Y. Nous avons montré, notamment, qu'un traitement chronique entraîne la dégradation par le protéasome des protéines Gbeta et Ggamma2. Aussi, le niveau de dégradation de Gbeta est corrélé avec le niveau de sensibilisation de l'adénylyl cyclase (AC), phénomène impliqué dans la dépendance à la morphine. Globalement, l'analyse protéomique a permis de détecter environ 50 protéines et une centaine de phosphoprotéines modulées par la drogue. Mes travaux ont permis de proposer un nouveau mécanisme moléculaire responsable de la sensibilisation de l'AC et surtout suggèrent pour la première fois que le protéasome est impliqué dans les effets chroniques de la morphine.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le protéasome 26S est une macromolécule impliquée dans la dégradation de la majorité des protéines cellulaires. Parmi ces protéines, il y a les différents régulateurs de processus cruciaux tels que les protéines responsables de la progression du cycle cellulaire, de l'apoptose, des réponses inflammatoires, de l'activation de NF-B, de la présentation antigénique et de la différenciation cellulaire. Par conséquent, les inhibiteurs du protéasome sont des agents thérapeutiques dans des pathologies tels que le cancer, l'inflammation et les maladies auto-immunes. En effet, les inhibiteurs du protéasome sont connus pour induire la mort sélective des cellules cancéreuses tout en les rendant plus sensibles aux autres traitements anticancéreux existants (chimiothérapie, radiothérapie...). L'objectif de notre laboratoire est de développer des inhibiteurs non covalents du protéasome de structures peptidomimétiques fluorés ou non fluorés, et de montrer l'intérêt du fluor en chimie médicinale. Mon projet de thèse s'inscrit dans ce cadre. Dans un premier temps nous avons mis en évidence la grande diversité et la quantité des inhibiteurs du protéasome montrant ainsi l'importance de cette macromolécule comme cible dans le traitement du cancer. D'ailleurs, deux de ces inhibiteurs sont utilisés dans le traitement du myélome multiple et du lymphome du manteau et, plusieurs composés sont en études cliniques pour différents cancers. Nous avons aussi mis en évidence le bénéfice apporté par l'incorporation de groupement fluoré sur une molécule bioactive en particulier dans les structures peptidomimétiques. En revanche, ce rappel bibliographique a aussi montré que les peptidomimétiques contraints et fluorés sont peu décrits dans la littérature et le seul exemple à notre connaissance est l'analogue contraint et fluoré de la substance P contenant le motif (Z)-fluoroalcène.La deuxième partie de ces travaux de thèse s'est focalisée sur la conception, la synthèse et l'évaluation biologique d'inhibiteurs originaux du protéasome. Nous avons mis au point une synthèse facile et efficace de pseudopeptides possédant les motifs α et β-hydrazino acides et le motif β-hydrazino acide trifluorométhyle (schéma 1). Ces molécules inhibent de manière efficace le site CT-L du protéasome du lapin avec une IC50 de l'ordre du submicromolaire. Nous avons ainsi démontré que l'activité biologique est maintenue en remplaçant un α-amino acide par un scaffold α ou β-hydrazino acide. La pharmacomodulation effectuée autour de ces motifs nous a permis d'établir des relations structure-activité. Nous avons aussi mis au point un modèle de docking assez fiable qui va nous permettre de prédire le potentiel inhibiteur de nos futures molécules.Enfin, nous avons déterminé l'IC50 de nos molécules en utilisant la technique du FABS en RMN du 19F. Schéma1: voies d'accès aux peptidomimétiques contenant les motifs α et β-hydrazino acide et le motif β-hydrazino acide trifluorométhyl.Ces travaux de thèses ont été complétés par une méthodologie de synthèse portant sur le développement de nouveaux synthons contraints fluorés dans le but de les incorporer dans nos inhibiteurs de protéasome. Les cyclopropanes trifluorométhyles ont été obtenus en utilisant la réaction tandem de Michael, addition nucléophile suivie de cyclisation avec une excellente diastéréosélectivité pour certaines réactions. Les cyclopropanes obtenus ont été fonctionnalisés en amino acides ce qui faciliterait leur incorporation dans nos pseudopeptides. Les N-aminoaziridines fluorés ont été synthétisés à partir d'oléfines fluorés et de précurseurs de nitrène en présence de diacétate d'iodobenzène (PhI(OAc)2. L'incorporation de ces nouveaux scaffolds dans la structure de nos inhibiteurs de protéasome est en cours de réalisation dans le laboratoire.

Les leucémies aiguës myéloblastiques (LAM) sont des maladies hématopoïétiques caractérisées par une prolifération incontrôlée de précurseurs myéloïdes bloqués à divers stades de différenciation. Le pronostic des LAM reste sombre à cause de la résistance aux traitements et des rechutes après rémission. En conséquence, des thérapies moins intensives et mieux tolérées doivent être développées ; ceci nécessite le développement de stratégies combinatoires associant des molécules avec des modes d'action différents pour augmenter l'efficacité des traitements. Plusieurs approches sont en cours d'étude préclinique et clinique [inhibiteurs des voies de signalisation PI3K/Akt/mTOR, anticorps monoclonaux couplés à une drogue (Mylotarg®), inhibiteurs du protéasome (bortezomib)...] Des travaux récents ont relancé l'intérêt de l'étude des molécules d'origine naturelle pour le traitement des cancers. Ainsi, l'acide flavone-8-acétique (FAA) a suscité de nombreux espoirs au vu de son action sur les tumeurs greffées chez la souris ; il s'est néanmoins révélé inactif chez l'homme du fait d'une métabolisation différente de celle de la souris. L'objectif de ma thèse a été d'étudier les effets d'anticorps monoclonaux dirigés contre l'antigène tumoral CD13 (aminopeptidase-N) et de deux dérivés de FAA, la 2',3-Dinitroflavone-8-acétique (DNFAA ; inhibiteur de l'activité enzymatique de CD13) et la 3,3'-Diamino-4'-méthoxyflavone (DD1) dans les LAM. Mon étude a montré que DNFAA n'affecte ni la prolifération ni la survie des cellules de LAM (lignées et cellules primaires). Cependant, le traitement de ces cellules par les anticorps anti-CD13, (MY7, SJ1D1, WM15 ; reconnaissant ou non le site enzymatique) induit l'apoptose en activant les voies extrinsèque et intrinsèque. Dans la voie intrinsèque, les anti-CD13 régulent négativement l'expression des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 et Mcl-1 et positivement l'expression de la protéine pro-apoptotique Bax. De plus, l'activation de la voie PI3K/Akt apparaît associée au processus apoptotique. Mon étude sur les effets du 3,3'-Diamino-4'-méthoxyflavone dans les cellules de LAM montre une induction d'apoptose résultant de la convergence de l'inhibition du protéasome et de l'activation des voies extrinsèque et intrinsèque. Les cibles de DD1 sont le protéasome, la kinase p70S6K (kinase en aval de mTOR), et les protéines pro-apoptotiques Bad et Bax. De plus, j'ai mis en évidence la dégradation de p70S6K sous l'action de la caspase 3, par le traitement avec DD1, nouvelle propriété partagée par DD1 et le bortezomib. En conclusion, mon travail a permis de mettre en évidence les capacités à induire in vitro des voies d'apoptose déficientes dans les cellules de LAM, d'anticorps monoclonaux anti-CD13 et de la flavone originale, 3,3'-Diamino-4'-methoxyflavone, en tant que nouvel inhibiteur du protéasome. Les propriétés de ces agents pro-apoptotiques méritent d'être analysées de façon plus approfondie.

L'inhibition du protéasome a un effet anti-inflammatoire en bloquant l'activation de NF-êB. Dans ce travail, nous avons étudié cette propriété anti-inflammatoire dans deux modèles animaux de maladies neurologiques: la sclérose en plaques et l'AVC. Nous avons utilisé le ritonavir, un antiprotéase du VIH et qui a des effets de modulation sur le protéasome. Ainsi l'administration du ritonavir a permis d'inhiber l'EAE modèle animal de SEP. D'autre part, un effet anti-ischémique cérébral a été obtenu ches les animaux ayant subi une occlusion de l'artère cérébrale moyenne, modèle animal d'AVC. Ces effets neuroprotecteurs ont été corrélés à une inhibition de la réponse inflammatoire chez les animaux traités. Ces résultats ouvrent des nouvelles perspectives thérapeutiques dans les maladies inflammatoires basées sur la modulation du protéasome

La protéine GABARAPL1 (GABARAP like 1) ou GEC1 (Glandular Epithelial Cell 1), présente de forts pourcentages d'identité avec les protéines GABARAP (GABAA Receptor-Associated Protein), GATE-16 (Golgi-Associated ATPase Enhancer of 16 kDa) et Atg8 (Autophagy-related 8) ainsi qu'une identité moindre avec les protéines de la sous-famille LC3 (Light Chain 3). GABARAPL1 est exprimée dans tous les tissus, préférentiellement dans le système nerveux central, et intervient dans le transport intracellulaire des récepteurs GABAA (Gamma-AminoButyric Acid type A receptor) et KOR (K Opioid Receptor). De plus, une faible expression du gène gabarap1 est observée dans diverses lignées cancéreuses, suggérant son implication dans la genèse et/ou la progression tumorale. La recherche de partenaires protéiques a abouti à l'identification de différentes protéines. L'interaction entre GABARAPL1 et la protéine HSP90 (Heat Shock Protein 90) nouvellement identifiée a été étudiée dans le cerveau de rat et dans les cellules MCF-7. Ainsi, nous avons montré que HSP90 protège GABARAPL1 de la dégradation par le protéasome. Par ailleurs, il a été établi qu'au cours de !'autophagie, GABARAPL1 est clivée, maturée puis conjuguée à des phospholipides. Elle co-Iocalise alors partiellement au niveau de lysosomes et d'autophagosomes. Nous avons également démontré que gabarap1 est faiblement exprimé dans les tissus tumoraux de sein et que la surexpression de la protéine FLAG-GABARAPL1-6HIS dans les cellules MCF-7 diminue considérablement leur croissance. De plus, une forte expression de gabarapl 1 est corrélée à une augmentation de la survie de patientes atteintes de cancer du sein avec envahissement ganglionnaire. / The GABARAPL1 (GABARAP like 1) protein, also named GECl (Glandular Epithelial Cell 1), displays a high percentage of identity with the GABARAP (GABAA Receptor-Associated Protein), GATE-16 (Golgi-Associated A TPase Enhancer of 16 kDa) and Atg8 (Autophagy-related 8) proteins, and a lesser identity with LC3 (Light Chain 3) family of proteins. The GABARAPL1 protein is expressed in ail tissues, predominantly in the central nervous system and is involved in intracellular transport of GABAA receptors (Gamma-AminoButyric Acid type A receptor) and KOR (K Opioid Receptor). In addition, a Iow expression of the gabarap1 gene was shown in various cancer cell lines, suggesting its involvement in the genesis and/or progression oftumors. The search for GABARAPL 1 prote in partners has Ied to the identification of different proteins. The interaction between GABARAPL1 and the protein partner: HSP90 (Heat Shock Protein 90) was studied in rat brain and MCF-7 cells, in which we showed that HSP90 protects GABARAPL1 from degradation by the proteasome. Additionally, it was established that during autophagy, GABARAPL1 is cleaved to its mature form and conjugated to phospholipids. lt then co-localizes partially with lysosomes and autophagosomes. We also demonstrated that gabarap!J is weakly expressed in breast tumor tissues and that overexpression of the FLAG­GABARAPL1-6HIS recombinant protein in MCF-7 cells significantly reduces their growth. Finally, a strong expression of gabarap1 is correlated with increased survival of patients with lymph node-positive breast cancer.

Chez les eucaryotes, la régulation de l'expression des gènes fait intervenir des mécanismes de contrôle qualité qui préservent l'intégrité des ARN et des protéines par la détection et l'élimination des produits défectueux. Ces processus sont essentiels pour limiter l'accumulation de protéines déficientes qui ont tendance à former des agrégats qui peuvent entraîner une toxicité cellulaire et des pathologies telles que des maladies neurodégénératives. La traduction de certains ARNm aberrants conduit à un blocage des ribosomes, ce qui déclenche le recrutement de facteurs de contrôle qualité permettant la dissociation des ribosomes bloqués et la dégradation de ces ARNm et des peptides aberrants correspondants. Au cours de ma thèse, j'ai découvert l'existence du complexe RQC, composé de Rqc1, Rqc2, Ltn1 et Cdc48, qui se lie aux sous-unités 60S bloquées afin de reconnaître les peptides naissants aberrants. Alors que Ltn1 assure leur polyubiquitinylation, Rqc2 permet l'ajout d'alanines-thréonines à leur extrémité C-terminale (CAT tails), et Cdc48 extrait ces peptides de manière à ce qu'ils soient escortés au protéasome pour être dégradés. Rqc1 est essentiel à la fois pour le recrutement de Cdc48 et pour la prévention de l'agrégation des peptides aberrants. Ce phénomène d'agrégation permet notamment de déclencher la réponse Hsf1 en cas de stress. Enfin, nous avons découvert que de multiples voies de contrôle qualité participent à l'élimination des agrégats de protéines aberrantes lorsque Rqc1 est déplété. L'ensemble de ces mécanismes de contrôle qualité permet aux cellules de répondre efficacement à un stress traductionnel afin de maintenir l'homéostasie des protéines. / Gene expression in eukaryotes requires quality control mechanisms that preserve the integrity of the transcriptome and the proteome by detecting and eliminating defective RNAs and peptides. These processes are essential to prevent the accumulation of deficient proteins that are prone to aggregation, which can cause a cellular toxicity and pathologies such as neurodegenerative diseases. In the cytosol, translation of aberrant mRNAs may lead to ribosome stalling, which triggers the recruitment of quality control factors that enable the dissociation of stalled ribosomes and the degradation of these aberrant transcripts. However, since the polypeptides synthesized from these mRNAs are generally deficient, they must also be degraded. During my thesis, I discovered the existence of the RQC complex, composed of Rqc1, Rqc2, Ltn1 and Cdc48, that bind stalled 60S subunits to detect and eliminate aberrant nascent peptides. Whereas Ltn1 ensures their polyubiquitylation, Rqc2 enables the addition of C-terminal alanine-threonine tails (CAT tails), and Cdc48 extracts these peptides so that the RQC complex can escort them to the proteasome for their degradation. A study of Rqc1 revealed that this factor is essential for Cdc48 recruitment and to prevent the aggregation of aberrant proteins. This aggregation phenomenon is essential to trigger the Hsf1 response in case of stress. Finally, we discovered that multiple quality control pathways participate in the elimination of aberrant protein aggregates when Rqc1 is depleted. This set of quality control mechanisms ensures an efficient cellular response in case of translational stress in order to maintain protein homeostasis.