La polarisation apico-basale des cellules épithéliales est cruciale pour le maintien de l'intégrité des tissus épithéliaux et sa perte contribue à la progression tumorale. Les protéines établissant cette polarité sont divisées en modules apicaux et basolatéraux qui s'excluent mutuellement de leur domaine respectif. La zonula adherens (ZA) forme l'interface entre ces deux domaines. La ZA joue aussi un rôle clé dans la cohésion intercellulaire et la morphogenèse épithéliale. Elle est composée de protéines d'adhésion, d'une ceinture d'actomyosine et de protéines de polarité. L'homéostasie épithéliale est déterminée par une fine collaboration entre les protéines de polarité et celles de la ZA. Le but de mon doctorat a été d'étudier ce lien existant entre les protéines de polarité et celles composant la ZA. Pour cela, au laboratoire nous utilisons un outil in vivo avantageux se nommant Drosophila melanogaster ainsi que des modèles de cellules épithéliales humaines cultivées en 2 ou 3 dimensions. Dans un premier temps, mes travaux de thèse se sont concentrés sur les protéines Girdin. Girdin chez la drosophile et GIRDIN, son orthologue humain, sont des protéines d'échafaudage qui sont impliquées dans de multiples processus cellulaires dont celui qui nous a principalement intéressé au cours de mon doctorat : l'adhésion intercellulaire. Au laboratoire, Dre Élise Houssin a montré que Girdin renforçait l'ancrage des protéines d'adhésion à la ceinture d'actomyosine constituant la ZA (Houssin et al., 2015), une fonction conservée chez son orthologue humain (Wang et al., 2018a). De plus, GIRDIN interagit physiquement avec des protéines de polarité, telles que Par3 et aPKC (Ohara et al., 2012; Sasaki et al., 2015). Nous avons donc émis l'hypothèse que les protéines Girdin jouaient un rôle dans le maintien de la polarité épithéliale. Pour y répondre, nous avons réalisé des interactions génétiques entre girdin et différents gènes de polarité. L'interprétation de l'ensemble de nos résultats indique que Girdin et son orthologue soutiennent les déterminants latéraux de polarité en réprimant l'activité de la kinase apicale aPKC. De plus, nous avons mis en lumière que la sous-expression de GIRDIN est associée à la dissémination de cellules issues de sphères tumorales, un phénomène également observé in vivo pour son orthologue de drosophile (Houssin et al., 2015). La perte de la polarité épithéliale ainsi que la dissémination cellulaire observées dans les sphères tumorales sous-exprimant GIRDIN indiquent qu'elle pourrait contrer la progression tumorale en maintenant la polarité épithéliale et la cohésion cellulaire. Nos observations ont été appuyées par l'analyse de tissus tumoraux de patients qui a établi un lien entre l'altération de l'expression de GIRDIN et une faible espérance de survie de ces patients dans deux sous-types de cancer du sein et du poumon. Dans un deuxième temps, les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué à une meilleure compréhension du rôle de la protéine Yurt (Yrt) dans le maintien de l'architecture épithéliale (chapitre 2 et 3). Tout d'abord, nous avons mis en lumière le rôle de cette protéine de polarité dans l'induction de la tension épithéliale. La caractérisation de cette fonction nous a permis d'explorer les régulateurs et effecteurs de Yrt. Ainsi, nous avons constaté que Yrt est recrutée au domaine apical par la protéine apicale Crumbs pour promouvoir la tension épithéliale. De plus, la kinase aPKC et le module Pak1-PP2A ont des effets antagonistes sur son activité. aPKC phosphoryle Yrt pour l'inhiber alors que l'axe Pak1-PP2A la déphosphoryle afin d'induire son activité. J'ai également étudié le rôle d'un partenaire physique de Yrt, la NAD synthetase (Nadsyn) qui m'a conduit à explorer une nouvelle voie de signalisation effectrice de Yrt. En effet, nous avons constaté que Yrt pourrait recruter la Nadsyn aux membranes plasmiques pour produire localement du NAD⁺, le co-substrat de la famille des sirtuines, activant ces déacétylases. Cette activation locale permettrait de désacétyler des protéines clés de la contraction cellulaire et/ou de la polarité épithéliale afin de réguler l'architecture épithéliale. Ces deux études dévoilent les modes de régulation et d'action de la protéine Yrt chez la drosophile. Ses deux orthologues étant fortement surexprimés dans de nombreux cancers agressifs, il sera pertinent de valider la conservation de ces mécanismes chez l'humain, afin de déceler de nouvelles stratégies thérapeutiques. L'ensemble de ces travaux de thèse contribue à une meilleure compréhension des mécanismes régulant l'homéostasie épithéliale. La perte de l'architecture épithéliale étant étroitement liée à la progression tumorale, ses travaux ouvrent la voie à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. / Epithelia form the basis of animal tissue architecture, establishing a barrier against diffusion and providing mechanical structure by their apico-basal asymmetry and adhesive properties. This apico-basal polarity is regulated through various polarity protein complexes characterized by a mutual antagonism between apical and basolateral complexes. Cells adhere to each other with the major cohesive and contractile adhesion of epithelial cells, the zonula adherens (ZA). The ZA machinery contains a strong cohesive complex linked to an actomyosin belt, and forms the interface between the apical and basolateral domains. This actomyosin belt is the main modulator of the epithelial tension. Apico-basal proteins collaborate with the ZA machinery to control tissue architecture homeostasis. Loss of epithelial architecture, such as apico-basal polarity loss or cell-cell cohesion loss, is a hallmark of tumoral progression. My PhD work was aimed at deciphering the molecular mechanisms controlling epithelial polarity and ZA homeostasis using the sophisticated in vivo model Drosophila melanogaster. First, we investigated the role of the scaffold Girdin proteins in epithelial architecture. Previously in the laboratory, the drosophila Girdin protein has been shown to localize at and to reinforce the ZA cohesion (Houssin et al., 2015), a function shared by its human ortholog GIRDIN (Wang et al., 2018a). Furthermore, GIRDIN has been shown to physically interact with polarity proteins such as Par3 and aPKC (Ohara et al., 2012; Sasaki et al., 2015), but its role in cell polarity remained unclear. Using genetic interactions combined with biochemistry technics we demonstrated that Girdin proteins support basolateral determinants by negatively regulating the apical kinase aPKC. In addition, we observed cell detachment and dissemination from GIRDIN knockdown cysts, a phenomenon also reported in girdin null embryos (Houssin et al., 2015). Thus, GIRDIN is required for the cohesion of multicellular epithelial structures that is crucial to prevent various pathological conditions such as cancer progression (Halaoui & McCaffrey, 2015). Indeed, we found a correlation between a low expression of GIRDIN mRNA and a decreased survival in more aggressive breast cancer subtypes and lung adenocarcinoma. The second and third result chapters show that the Drosophila polarity protein Yrt plays a role in epithelial tension and explore the upstream activators and downstream effectors pathways of Yrt. Yrt was previously shown to limit the ability of Crumbs to promote apical membrane growth, thereby defining proper apical/lateral membrane ratio in epithelial cells (Laprise et al., 2006; Laprise et al., 2009). Our results show that Yrt, by interacting with Crumbs, also induces epithelial tension by organizing the apical localization of the non-muscle myosin II, which is needed during embryogenesis. Mechanistically, the apical kinase aPKC phosphorylates Yurt, thereby dislodging Yrt from the apical domain and releasing apical tension. In contrast, the Pak1- PP2A module promotes Yrt dephosphorylation, leading to its apical localization and function. We then investigated how Yrt could reorganize the cytoskeleton to induce epithelial tension. We performed a genetic screen on the Yrt physical interactome. We identified the NAD synthetase (Nadsyn), an enzyme responsible for the de novo NAD⁺ synthesis, as a strong interactor of Yrt. We observed that Yrt recruits Nadsyn to the plasma membrane and that apical constriction induced by Yrt is Nadsyn- and NAD⁺-dependent. Based on these novel findings, we proposed that Yrt may recruit Nadsyn to locally produce a NAD⁺ pool that activates the deacetylases Sirtuin1 or 2, thereby deacetylating proteins involved in cell contractility and cell polarity. This model remains to be clarified by further work. Since Yrt's human orthologs are overexpressed in many epitheliaderived tumors and are associated with a poor survival outcome, deciphering whether the signaling pathways uncovered in our work are preserved in humans could help uncovering novel therapeutic approaches. In conclusion, my PhD work dissected the role of new proteins and pathways involved in the maintenance of epithelial cell architecture. Since the maintenance of an epithelial structure counteracts tumor progression, it also highlights new therapeutic possibilities.

"Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval comme exigence partielle du programme de maîtrise en Médecine Expérimentale offert à l'Université du Québec à Chicoutimi en vertu d'un protocole d'entente avec l'Université Laval pour l'obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)" / Huntingtin interacting protein-1 (HIP1) et Huntingtin interacting protein-1-related (HIP1R) ont été identifiées comme des protéines intervenant dans l’endocytose médiée par les vésicules de clathrine par leurs interactions avec d ’autres protéines endocytaires. Pour mieux comprendre les rôles attribués à HIP1/R dans cette machinerie, nous avons procédé à l’identification de nouveaux partenaires d ’interaction. Au cours de notre étude, nous avons identifié HSC70 (Heat-shock Cognate Protein70) comme un nouveau partenaire pour les domaines TALIN des deux protéines par des essais de pull-down et analyse par spectrométrie de masse. Au cours de cette étude nous avons identifié également que l’association d ’HSC70 avec le domaine TALIN d ’HIPIR, compromet sa sédimentation avec les filaments d ’actine. HIP1R est une composante du manteau de clathrine, son interaction avec HSC70 l’a impliquée dans le démantèlement des vésicules. Dans cette étude, nous avons vérifié l’intervention d ’HIPIR dans le démantèlement de la clathrine suite à son interaction avec HSC70 et la relation de ce mécanisme avec la perte d ’interaction avec l’actine.

La polarisation apico-basale des cellules épithéliales est cruciale pour le maintien de l'intégrité des tissus épithéliaux et sa perte contribue à la progression tumorale. Les protéines établissant cette polarité sont divisées en modules apicaux et basolatéraux qui s'excluent mutuellement de leur domaine respectif. La zonula adherens (ZA) forme l'interface entre ces deux domaines. La ZA joue aussi un rôle clé dans la cohésion intercellulaire et la morphogenèse épithéliale. Elle est composée de protéines d'adhésion, d'une ceinture d'actomyosine et de protéines de polarité. L'homéostasie épithéliale est déterminée par une fine collaboration entre les protéines de polarité et celles de la ZA. Le but de mon doctorat a été d'étudier ce lien existant entre les protéines de polarité et celles composant la ZA. Pour cela, au laboratoire nous utilisons un outil in vivo avantageux se nommant Drosophila melanogaster ainsi que des modèles de cellules épithéliales humaines cultivées en 2 ou 3 dimensions. Dans un premier temps, mes travaux de thèse se sont concentrés sur les protéines Girdin. Girdin chez la drosophile et GIRDIN, son orthologue humain, sont des protéines d'échafaudage qui sont impliquées dans de multiples processus cellulaires dont celui qui nous a principalement intéressé au cours de mon doctorat : l'adhésion intercellulaire. Au laboratoire, Dre Élise Houssin a montré que Girdin renforçait l'ancrage des protéines d'adhésion à la ceinture d'actomyosine constituant la ZA (Houssin et al., 2015), une fonction conservée chez son orthologue humain (Wang et al., 2018a). De plus, GIRDIN interagit physiquement avec des protéines de polarité, telles que Par3 et aPKC (Ohara et al., 2012; Sasaki et al., 2015). Nous avons donc émis l'hypothèse que les protéines Girdin jouaient un rôle dans le maintien de la polarité épithéliale. Pour y répondre, nous avons réalisé des interactions génétiques entre girdin et différents gènes de polarité. L'interprétation de l'ensemble de nos résultats indique que Girdin et son orthologue soutiennent les déterminants latéraux de polarité en réprimant l'activité de la kinase apicale aPKC. De plus, nous avons mis en lumière que la sous-expression de GIRDIN est associée à la dissémination de cellules issues de sphères tumorales, un phénomène également observé in vivo pour son orthologue de drosophile (Houssin et al., 2015). La perte de la polarité épithéliale ainsi que la dissémination cellulaire observées dans les sphères tumorales sous-exprimant GIRDIN indiquent qu'elle pourrait contrer la progression tumorale en maintenant la polarité épithéliale et la cohésion cellulaire. Nos observations ont été appuyées par l'analyse de tissus tumoraux de patients qui a établi un lien entre l'altération de l'expression de GIRDIN et une faible espérance de survie de ces patients dans deux sous-types de cancer du sein et du poumon. Dans un deuxième temps, les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué à une meilleure compréhension du rôle de la protéine Yurt (Yrt) dans le maintien de l'architecture épithéliale (chapitre 2 et 3). Tout d'abord, nous avons mis en lumière le rôle de cette protéine de polarité dans l'induction de la tension épithéliale. La caractérisation de cette fonction nous a permis d'explorer les régulateurs et effecteurs de Yrt. Ainsi, nous avons constaté que Yrt est recrutée au domaine apical par la protéine apicale Crumbs pour promouvoir la tension épithéliale. De plus, la kinase aPKC et le module Pak1-PP2A ont des effets antagonistes sur son activité. aPKC phosphoryle Yrt pour l'inhiber alors que l'axe Pak1-PP2A la déphosphoryle afin d'induire son activité. J'ai également étudié le rôle d'un partenaire physique de Yrt, la NAD synthetase (Nadsyn) qui m'a conduit à explorer une nouvelle voie de signalisation effectrice de Yrt. En effet, nous avons constaté que Yrt pourrait recruter la Nadsyn aux membranes plasmiques pour produire localement du NAD⁺, le co-substrat de la famille des sirtuines, activant ces déacétylases. Cette activation locale permettrait de désacétyler des protéines clés de la contraction cellulaire et/ou de la polarité épithéliale afin de réguler l'architecture épithéliale. Ces deux études dévoilent les modes de régulation et d'action de la protéine Yrt chez la drosophile. Ses deux orthologues étant fortement surexprimés dans de nombreux cancers agressifs, il sera pertinent de valider la conservation de ces mécanismes chez l'humain, afin de déceler de nouvelles stratégies thérapeutiques. L'ensemble de ces travaux de thèse contribue à une meilleure compréhension des mécanismes régulant l'homéostasie épithéliale. La perte de l'architecture épithéliale étant étroitement liée à la progression tumorale, ses travaux ouvrent la voie à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. / Epithelia form the basis of animal tissue architecture, establishing a barrier against diffusion and providing mechanical structure by their apico-basal asymmetry and adhesive properties. This apico-basal polarity is regulated through various polarity protein complexes characterized by a mutual antagonism between apical and basolateral complexes. Cells adhere to each other with the major cohesive and contractile adhesion of epithelial cells, the zonula adherens (ZA). The ZA machinery contains a strong cohesive complex linked to an actomyosin belt, and forms the interface between the apical and basolateral domains. This actomyosin belt is the main modulator of the epithelial tension. Apico-basal proteins collaborate with the ZA machinery to control tissue architecture homeostasis. Loss of epithelial architecture, such as apico-basal polarity loss or cell-cell cohesion loss, is a hallmark of tumoral progression. My PhD work was aimed at deciphering the molecular mechanisms controlling epithelial polarity and ZA homeostasis using the sophisticated in vivo model Drosophila melanogaster. First, we investigated the role of the scaffold Girdin proteins in epithelial architecture. Previously in the laboratory, the drosophila Girdin protein has been shown to localize at and to reinforce the ZA cohesion (Houssin et al., 2015), a function shared by its human ortholog GIRDIN (Wang et al., 2018a). Furthermore, GIRDIN has been shown to physically interact with polarity proteins such as Par3 and aPKC (Ohara et al., 2012; Sasaki et al., 2015), but its role in cell polarity remained unclear. Using genetic interactions combined with biochemistry technics we demonstrated that Girdin proteins support basolateral determinants by negatively regulating the apical kinase aPKC. In addition, we observed cell detachment and dissemination from GIRDIN knockdown cysts, a phenomenon also reported in girdin null embryos (Houssin et al., 2015). Thus, GIRDIN is required for the cohesion of multicellular epithelial structures that is crucial to prevent various pathological conditions such as cancer progression (Halaoui & McCaffrey, 2015). Indeed, we found a correlation between a low expression of GIRDIN mRNA and a decreased survival in more aggressive breast cancer subtypes and lung adenocarcinoma. The second and third result chapters show that the Drosophila polarity protein Yrt plays a role in epithelial tension and explore the upstream activators and downstream effectors pathways of Yrt. Yrt was previously shown to limit the ability of Crumbs to promote apical membrane growth, thereby defining proper apical/lateral membrane ratio in epithelial cells (Laprise et al., 2006; Laprise et al., 2009). Our results show that Yrt, by interacting with Crumbs, also induces epithelial tension by organizing the apical localization of the non-muscle myosin II, which is needed during embryogenesis. Mechanistically, the apical kinase aPKC phosphorylates Yurt, thereby dislodging Yrt from the apical domain and releasing apical tension. In contrast, the Pak1- PP2A module promotes Yrt dephosphorylation, leading to its apical localization and function. We then investigated how Yrt could reorganize the cytoskeleton to induce epithelial tension. We performed a genetic screen on the Yrt physical interactome. We identified the NAD synthetase (Nadsyn), an enzyme responsible for the de novo NAD⁺ synthesis, as a strong interactor of Yrt. We observed that Yrt recruits Nadsyn to the plasma membrane and that apical constriction induced by Yrt is Nadsyn- and NAD⁺-dependent. Based on these novel findings, we proposed that Yrt may recruit Nadsyn to locally produce a NAD⁺ pool that activates the deacetylases Sirtuin1 or 2, thereby deacetylating proteins involved in cell contractility and cell polarity. This model remains to be clarified by further work. Since Yrt's human orthologs are overexpressed in many epitheliaderived tumors and are associated with a poor survival outcome, deciphering whether the signaling pathways uncovered in our work are preserved in humans could help uncovering novel therapeutic approaches. In conclusion, my PhD work dissected the role of new proteins and pathways involved in the maintenance of epithelial cell architecture. Since the maintenance of an epithelial structure counteracts tumor progression, it also highlights new therapeutic possibilities.