Le travail présenté dans cette étude a été réalisé au laboratoire du Dr. Luca Pellegrini, qui se concentre sur les mécanismes régulant la dynamique mitochondriale. Dans ce contexte, mon travail s'est focalisé sur la protease rhomboïde Parl, un régulateur essentiel de l'apoptose, de la morphologie mitochondriale et du métabolisme et qui a été impliquée dans la maladie de Parkinson. Au cours de ce travail, nous avons adopté une approche en deux points pour comprendre les bases structurelles et mécanistiques de l'activité protéolytique de Pari et de sa régulation. Dans une première approche, nous avons réalisé une analyse de la structurefonction basée sur un modèle d'homologie pour identifier les déterminants structurels de Pari. L'identification d'un événement de coupure protéique (clivage- Y) qui génère une nouvelle forme de Pari présentant une structure à six segments transmembranaires à partir de la structure classique à 6+1 segments transmembranaires nous a servi de base pour cette étude. Nos résultats montrent des similarités de structure entre la protéine rhomboïde d'origine bactérienne GlpG and Pari. Cependant, Pari semble utiliser une catalyse par triade par opposition à la catalyse par dyade opérée par les rhomboïdes GlpG. Le clivage y perturbe la triade et rend ainsi Pari protéolytiquement inactif. Ainsi, notre étude a identifiée la régulation de la fonction de Pari par l'élimination protéolytique de son activité, ce que nous avons publié dans le journal Cell Death & Differentiation. Dans une seconde approche, nous nous sommes penché sur la validité d'un communiqué publié dans Nature (Chao et al., 2008) qui suppose un rôle pour la protéine HAX1 en tant que protéine présentatrice de substrat pour Pari. En effet, plusieurs faisceaux de preuves n'étaient pas cohérents avec les résultats de cette étude. Nos résultats montrent que Pari et HAX1 sont confinés dans des souscompartiments cellulaires distincts et que l'interaction observée in vitro n'est qu'un artefact. Ainsi in vivo, HAX1 ne peut pas contribuer à la régulation de la protéolyse 2opérée par Pari. Notre étude a contesté les résultats de Chao et al., et a été publiée dans un article de fond dans le journal Cell Death & Differentiation. Enfin, il est important de mentionner qu'au cours de mon doctorat j'ai été le coauteur d'une revue (Jeyaraju et al., BBA 2009) et de deux articles de recherche à travers des collaborations avec les laboratoires du Dr Toth (Lavoie et al., J.Neuroscience, 2011 ) et du Dr Shore (Warr et al., JBC, 2011 ).

La protéine PARL (Presenilins-Associated Rhomboid-Like protein) est une nouvelle protéine présentant des similarités significatives avec la famille de régulateurs développementaux de Drosophila melanogaster Rhomboid, assurant la protéolyse intramembranaire régulée (RIP). La RIP est un processus par lequel certaines protéines transmembranaires sont clivées à l'intérieur de la membrane pour libérer un domaine cytoplasmique actif. Pour valider l'homologie fonctionnelle entre PARL et Rhomboid-1, nous avons conduit une analyse phylogénétique complète portant sur l'ensemble des membres de la super-famille Rhomboid. Cette étude révèle que cette famille est présente à tous les niveaux évolutifs et que tous ses membres, y compris PARL, sont des sérine-protéases catalysant la RIP. Nos études immunohistochimiques démontrent que le profil d'expression de PARL est régulé dynamiquement au cours du développement postnatal du cerveau de souris. D'autre part, PARL est sélectivement exprimée dans les cellules mitotiques et les neurones indifférenciés, mais pas dans les cellules gliales. De plus, chez l'adulte, l'expression de PARL est restreinte aux zones de neurogenèse active tout au long de la vie de l'animal. L'ensemble de ces résultats indique que l'expression de PARL commence durant la phase proliférative des précurseurs neuronaux, continue dans les étapes précoces de la différenciation neuronale et qu'elle est ensuite régulée négativement au cours de la différenciation. Nous proposons donc que l'activité de RIP-protéase de la protéine PARL joue un rôle essentiel dans l'engagement de la cellule vers la destinée neuronale et dans la neurogenèse.

La protéine PARL (Presenilins-Associated Rhomboid-Like protein) est une nouvelle protéine présentant des similarités significatives avec la famille de régulateurs développementaux de Drosophila melanogaster Rhomboid, assurant la protéolyse intramembranaire régulée (RIP). La RIP est un processus par lequel certaines protéines transmembranaires sont clivées à l'intérieur de la membrane pour libérer un domaine cytoplasmique actif. Pour valider l'homologie fonctionnelle entre PARL et Rhomboid-1, nous avons conduit une analyse phylogénétique complète portant sur l'ensemble des membres de la super-famille Rhomboid. Cette étude révèle que cette famille est présente à tous les niveaux évolutifs et que tous ses membres, y compris PARL, sont des sérine-protéases catalysant la RIP. Nos études immunohistochimiques démontrent que le profil d'expression de PARL est régulé dynamiquement au cours du développement postnatal du cerveau de souris. D'autre part, PARL est sélectivement exprimée dans les cellules mitotiques et les neurones indifférenciés, mais pas dans les cellules gliales. De plus, chez l'adulte, l'expression de PARL est restreinte aux zones de neurogenèse active tout au long de la vie de l'animal. L'ensemble de ces résultats indique que l'expression de PARL commence durant la phase proliférative des précurseurs neuronaux, continue dans les étapes précoces de la différenciation neuronale et qu'elle est ensuite régulée négativement au cours de la différenciation. Nous proposons donc que l'activité de RIP-protéase de la protéine PARL joue un rôle essentiel dans l'engagement de la cellule vers la destinée neuronale et dans la neurogenèse.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Pendant l'évolution des métazoaires, les mécanismes moléculaires qui contrôlent le remodelage de la morphologie des mitochondries sont changés. Ceci a permis le recrutement de cette organelle dans le développement, la signalisation du calcium, et l'apoptose. Une protéine centrale au remodelage des mitochondries est la protéase rhomboïde PARL (presenilin-associated rhomboid-like), mais ces mécanismes de régulation sont toujours inconnus. Dans cette étude, nous démontrons que la phosphorylation et le clivage d'un domaine N-terminal de PARL règlent la morphologie des mitochondries. Dans ce clivage, le domaine C-terminal de PARL joue un rôle structural essentiel. Nos résultats démontrent que la phosphorylation et le clivage de PARL ont un impact sur la dynamique des mitochondries, ce qui nous fournit un modèle pour étudier l'évolution moléculaire de la morphologie des mitochondries. / Remodeling of mitochondria is a dynamic process coordinated by fusion and fission of the inner and outer membranes of the organelle, mediated by a set of conserved proteins. In metazoans, the molecular mechanism behind mitochondrial morphology has been recruited to govern novel functions, such as development, calcium signalling, and apoptosis, which suggests that novel mechanisms should exist to regulate the conserved membrane fusion/fission machinery. Here we show that phosphorylation and cleavage of the vertebrate-specific Pbeta domain of the mammalian presenilin-associated rhomboidlike (PARL) protease can influence mitochondrial morphology. Phosphorylation of three residues embedded in this domain, Ser-65, Thr-69, and Ser-70, impairs a cleavage at position Ser(77)-Ala(78) that is required to initiate PARL-induced mitochondrial fragmentation. Our findings reveal that PARL phosphorylation and cleavage impact mitochondrial dynamics, providing a blueprint to study the molecular evolution of mitochondrial morphology.

Haxl joue un rôle important dans les syndromes d'immunodéficience et l'apoptose. Une étude récente suggère que Haxl, une protéine membre de la famille Bcl-2, inhibe l'apoptose dans les neurones et les lymphocytes, via un mécanisme impliquant sa liaison avec PARL, la protease rhomboïde de la membrane mitochondriale, ce qui active par protéolyse la serine protease Omi/HtrA2 et élimine Haxl actif. Ce modèle indique que la sensibilité des cellules aux stimuli pro-apoptotiques est contrôlée par le complexe PARL/Haxl de l'espace intermembranaire de la mitochondrie. D'une manière plus globale, les protéines membres de la famille Bcl-2 pourraient contrôler la perméabilité de la membrane mitochondriale externe à partir de l'intérieur de la mitochondrie. De plus, ce modèle définit une nouvelle voie anti-apoptotique de PARL, indépendante de Opal. Dans la présente étude, nous montrons que, in vivo, l'activité de Haxl ne peut pas être couplée à PARL, car les deux protéines sont dans des compartiments cellulaires différents, et leur interaction in vitro est un artefact. Par une analyse de séquence et de prédiction de structure secondaire, nous montrons aussi que Haxl n'est pas membre de la famille Bcl-2, en raison de l'absence des modules d'homologie de Bcl-2. Ces résultats indiquent la présence de fonctions et de mécanismes différents de Haxl dans l'apoptose, et ouvrent de nouvelles questions sur la capacité de PARL de réguler, en plus de l'apoptose, le stress mitochondrial via une voie Omi/HtrA2 dépendante.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Remodeling of mitochondria is a dynamic process coordinated by fusion and fission of the inner and outer membranes of the organelle, mediated by a set of conserved proteins. In metazoans, the molecular mechanism behind mitochondrial morphology has been recruited to govern novel functions, such as development, calcium signaling, and apoptosis, which suggests that novel mechanisms should exist to regulate the conserved membrane fusion/fission machinery. Here we show that phosphorylation and cleavage of the vertebrate-specific PP domain of the mammalian presenilin-associated rhomboid-like (PARL) protease can influence mitochondrial morphology. Phosphorylation of three residues embedded in this domain, Ser-65, Thr-69, and Ser-70, impair a cleavage at position Ser77|Ala78 that is required to initiate PARL-induced mitochondrial fragmentation. Our findings reveal that PARL phosphorylation and cleavage impact mitochondrial dynamics, providing a blueprint to study the molecular evolution of mitochondrial morphology. / Le remodelage de la morphologie et de la structure de des cristae des mitochondries est un processus dynamique régulé par un ensemble conservé de protéines qui coordonnent la « fusion » et la « fission » de la membrane interne et externe de l'organelle. Pendant l'évolution des métazoaires, les mécanismes moléculaires qui contrôlent ces processus ont été recrutés pour régler de nouvelles fonctions, tels le développement, la signalisation du calcium, et l'apoptose. Ceci suggère donc que des mécanismes, toujours inconnus, doivent exister pour réguler la machinerie de la fusion/fission des membranes mitochondriales. Dans cette étude nous démontrons que la phosphorylation et le clivage d'un domaine de la protéase rhomboide PARL (presenilin-associated rhomboid-like), lequel est présent uniquement chez les vertébrés règlent la morphologie des mitochondries. Nous montrons que la phosphorylation de trois acides aminés conservés dans ce domaine, la Ser-65, la Thr-69 et la Ser-70, empêche un clivage aux positions Ser77-Ala78 qui est requis pour initier la fragmentation mitochondriale induite par PARL. Nos résultats démontrent que la phosphorylation et le clivage de PARL ont un impact sur la dynamique des mitochondries, ce qui nous fournit un modèle pour étudier l'évolution moléculaire de la morphologie des mitochondries.