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Les exosomes sont des vésicules membranaires de 30 à 100 nm de diamètre, formées dans les endosomes multivésiculaires et sécrétées par la plupart des cellules. Les propriétés biophysiques et biochimiques des exosomes ainsi que les mécanismes permettant leur biogénèse et sécrétion ont fait l’objet de nombreuses études. Cependant, ces derniers sont encore méconnus, limitant l'analyse des fonctions des exosomes in vivo. Au moins deux mécanismes ont été proposés pour la biogénèse des exosomes : un mécanisme nécessiterait l’action de protéines impliquées dans le tri endosomal, les ESCRT (« endosomalsorting complex required for transport »). Un autre mécanisme serait indépendant de leur fonction. La sécrétion des exosomes, une fois générés dans les endosomes, requiert la petite GTPase, Rab27a, comme montré dans un modèle cellulaire humain. Mes travaux de thèse ont porté sur l’étude des mécanismes moléculaires impliqués dans la biogénèse et la sécrétion des exosomes. Une première étude visant à analyser la fonction de Rab27a dans des cellules murines, m’a permis de mettre en évidence l’existence de différentes populations d’exosomes, dont la sécrétion dépend ou non de Rab27a. Une deuxième étude a eu pour objectif d’analyser l’implication des ESCRT dans la biogénèse des exosomes dans des cellules HeLa CIITA. Le criblage d’une librairie d’ARN d’interférence dirigés contre les différentes protéines ESCRT, a permis l’identification de 7 molécules potentiellement impliquées dans cette voie : HRS, STAM1, TSG101, leur inactivation induisant la diminution de la sécrétion des exosomes. L’inactivation de CHMP4C, VPS4B,VTA1 et ALIX, au contraire, l’augmente. L’inhibition de l’expression de ces candidats suivie de l’analyse des exosomes sécrétés a démontré l’hétérogénéité des vésicules sécrétées, et une modification de leur taille et de leur composition protéique par rapport aux cellules contrôle. Plus particulièrement, l’inactivation d’ALIX induit une augmentation de lasécrétion d‘exosomes de plus grande taille, et l’enrichissement sélectif en molécules de CMH de classe II. En accord, j’ai montré que les cellules inactivées pour ALIX, aussi bien des cellules HeLa que des cellules dendritiques humaines ont une plus forte expression de CMH de classe II à la surface et dans des compartiments intracellulaires. Ces résultats suggèrent l’implication de certains membres de la famille ESCRT dans la voie de biogenèse et sécrétion des exosomes, ainsi qu’un rôle potentiel d’Alix dans le trafic des molécules CMH de classe II, et dans la modulation de la composition protéique des exosomes. / Exosomes are small membrane vesicles with sizes ranging from 30 to 100 nm in diameter, which are formed in multivesicular endosomes and secreted by most cell types. Numerous studies have focused on the biophysical and biochemical properties of exosomes, as well as the mechanisms of biogenesis and secretion of these vesicles. However, these aspects are not fully understood, which limits the analysis of the functions of exosomes in vivo. At least two mechanisms have been proposed for the biogenesis of exosomes : one would rely on the function of proteins involved in endosomal sorting, the ESCRT family (for “endosomal sorting complex required for transport”). Another mechanism would be independent of their activity. Once exosomes are formed in endosomes, their secretion requires the small GTPase RAB27A, as shown in a human cell line. The objective of my PhD project was to gain insights into the molecular mechanisms that drive exosome biogenesis and secretion. A first study performed to analyze the function of Rab27a in murine cells allowed me to show the existence of different populations of exosomes, dependent or not on Rab27a for their secretion. A second study was aimed at analyzing the involvement of ESCRT proteins in exosome biogenesis in HeLa-CIITA cells. Seven molecules potentially involved in this process were identified on the basis of the screening of an RNA interference library directed against the different ESCRT proteins: the inactivation of HRS, STAM1 and TSG101 induced a decrease in exosome secretion, whereas the down regulation of CHMP4C, VPS4B, VTA1 and ALIX increased it. Gene expression of the different candidate proteins was inhibited and exosomes secreted by these cells were analyzed: we showed the heterogeneity of the secreted vesicles, as well as an alteration of their size and protein composition, as compared to control cells. In particular, the inactivation of ALIX induced an increase in the secretion of larger vesicles, and the selective enrichment of these vesicles in MHC class II molecules. Accordingly, I showed that both HeLa-CIITA and human primary dendritic cells inactivated for ALIX possess a higher expression of MHC class II molecules at the cell surface and in intracellular compartments. These results suggest that some members of the ESCRT family are involved in the exosome biogenesis and secretion pathway, and propose a potential role of ALIX in the trafficking of MHC class II molecules and in the modulation of the protein composition of exosomes.

Résumé : L’expression de surface des récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) est un processus hautement régulé et très important dans le maintien de l’homéostasie cellulaire. En effet, un déséquilibre dans leur niveau d’expression est souvent relié à différentes pathologies comme le cancer, le diabète, l’obésité, les maladies cardiovasculaires et les maladies neurodégénératives. C’est pourquoi la compréhension des mécanismes moléculaires influençant ce phénomène est si importante et nous permettra d’élaborer et/ou d’améliorer les médicaments ciblant la régulation de ce processus. Il est bien connu qu’un des acteurs importants dans le trafic vésiculaire des GPCRs est représenté par la famille des Rab GTPases. Effectivement plusieurs de ces dernières, soit les Rabs 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 et 11 pour ne nommer que les plus connues, modulent l’expression de surface des GPCRs. De plus, certaines études soulèvent la possibilité qu’un GPCR soit lui-même capable de réguler son propre trafic intracellulaire, et ce grâce à son interaction avec les Rab GTPases. Toutefois, le mécanisme emprunté par le GPCR pour atteindre cette fin reste à élucider. Dans le présent travail, je démontre que le GPCR, β2AR, module non seulement la maturation de la petite protéine G Rab11a grâce à son interaction avec la Rab GéranylGéranylTransférase (RGGT), mais influence également son activation en modulant son ubiquitination via son association avec la E3-ubiquitine ligase, HACE1. De plus, je révèle que la sous-unité alpha de la RGGT (RGGTA) accroît significativement la maturation et le transport antérograde du récepteur β2AR, ce qui souligne ainsi un nouveau rôle cellulaire pour cette protéine. L’ensemble des résultats générés appuie l’hypothèse qu’un GPCR puisse contrôler son propre routage intracellulaire, et éclaircit les mécanismes utilisés pour réguler l’activé de la Rab GTPase avec laquelle il interagit. // Abstract : Cell surface expression of G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) is a highly regulated and very important phenomenon for keeping cellular homeostasis. In fact, dysregulation of their cell expression is related to many diseases like cancer, neurological disorders, obesity, diabetes and cardiovascular diseases. These facts illustrate how important understanding the molecular mechanisms involved in cell surface transport of those receptors is, which will help us in designing or improving drugs which actually target this pathway. Rab GTPases are proteins known for being essential regulators of GPCR vesicular trafficking. Indeed, an increasing number of studies report the implication of Rab1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 and 11 (to cite the most frequently studied) cell surface transport of GPCRs. Moreover, some studies also put forward the possibility that a GPCR might be able to regulate its own cellular trafficking by interacting and controlling activation of Rab GTPases. However, the mechanism involved in this process remains to be clarified. In the present study, I demonstrate that the prototypic GPCR, β2AR, not only modulates prenylation/maturation of the small G protein Rab11a by interacting with Rab GeranylGeranylTransferase (RGGT), but also influences Rab11a activation by modulating its ubiquitination via its association with the E3-ubiquitin ligase, HACE1. Furthermore, I reveal that the α subunit of the RGGT (RGGTA) also promotes the maturation and anterograde transport of the receptor, which highlight a new cellular role for this protein. Altogether, those results support the hypothesis that GPCRs control their own trafficking, and shed light on some of the mechanisms that might be employed by those receptors in activation of Rab GTPases.

Le transport intracellulaire du cholestérol et sa distribution correcte au niveau des différentes membranes sont essentiels pour assurer de nombreuses fonctions cellulaires. Malgré l'importance de ce transport les mécanismes de sa régulation restent encore mal connus. L'objectif de cette thèse était de mieux caractériser les acteurs du transport intracellulaire du cholestérol. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à deux acteurs de ce transport : la dynamine et les Rab GTPases. Dans la première partie de la thèse nous avons utilisé le dynasore, un inhibiteur pharmacologique de la dynamine pour étudier le rôle de la dynamine dans le contrôle du transport endolysosomal dans les cellules HeLa et les macrophages humains. Nous avons ainsi confirmé le rôle de la dynamine dans la sortie du compartiment endolysosomal et la régulation de l'homéostasie du cholestérol. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié le rôle de Rab7 et de Rab9 dans le transport du cholestérol en utilisant la technique d'ARN interférence ainsi que l'expression de mutants dominant négatifs. Nous avons montré qu'en plus de son rôle classique dans les étapes tardives du transport du cholestérol, Rab7 contrôle les étapes précoces du transport endosomal. Enfin, nous avons évalué le rôle de Rab7 dans notre modèle de macrophages humains surchargés. Nous avons mis en évidence un effet limité de l'inactivation de Rab7 sur le contrôle de l'homéostasie du cholestérol mais à l'inverse un effet majeur pour l'efflux du cholestérol vers l'apo AI. En conclusion, notre étude a permis de mieux caractériser le transport vésiculaire du cholestérol et de démontrer son importance dans la régulation de l'homéostasie intracellulaire en cholestérol. Nos résultats permettent également d'établir le rôle critique de Rab7 dans le trafic des LDL au niveau des endosomes précoces.

A group of small GTPases consist of over twenty protein families in the super class P-loop. It has a very diverse cell functions. Small GTPases regulate the formation of vesicular follicles, cytoskeleton and nuclear transport. They participate also on cell proliferation and signaling. The aim of my work is to find important amino acids that define family and distinguish each other. I focus on families Arf, Rab, Ran, Ras and Rho. At the Rho family I am also devoted to classes Rho, Rac and Cdc42. Amino acids are identified using bioinformatic programs selected Consurf and Sca5. The objective is also to test P2RANK specialized tool developed at the Charles University in Prague that predict ligand binding sites from protein structure in different families. Founding amino acids can have a big role in the functional divergence of individual families and classes of small GTPases and can be the basis for future study example for the proliferation of cancerous cells. 1.1 Keywords Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Current drugs used to treat Congestive Heart Failure target the renin-angiotensin and adrenergic systems. Studies showed increased mortality rates in patients treated with a combination of these medications. Angiotensin-AT1 and ?2-Adrenergic receptors were shown to form receptor heteromers. Blockade of one receptor in the complex can affect the signal transmitted by the other; suggesting that ligand-based therapy is not as selective as we might think. Modulating receptor trafficking after synthesis might prove to be a valid therapeutic strategy. Unfortunately, little is known about receptor assembly and transport from Endoplasmic Reticulum to Plasma Membrane. The objectives of this study are to identify the proteins that participate in the assembly of AT1R-?2AR heteromer and the regulators of the anterograde trafficking of G-Protein Coupled Receptors. This thesis introduces the role of important targets in those poorly understood processes. The identification of such targets could lead to developing better drugs with fewer adverse effects.

Metastasis is characterized pathologically by uncontrolled cell invasion, proliferation, migration and angiogenesis. Steroid hormones, such as estrogen, and growth factors, which include insulin growth factor I/II (IGF-1/IGF-2) therapy has been associated with most if not all of the features of metastasis. It has been determined that IGF-1 increases cell survival of cancer cells and potentiate the effect of E2 and other ligand growth factors on breast cancer cells. However not much information is available that comprehensively expounds on the roles of insulin growth factor receptor (IGFR) and Rab GTPases may play in breast cancer. The latter, Rab GTPases, are small signaling molecules and critical in the regulation of many cellular processes including cell migration, growth via the endocytic pathway. This research involves the role of Rab GTPases, specifically Rab5 and its guanine exchange factors (GEFs), in the promotion of cancer cell migration and invasion. Two important questions abound: Are IGFR stimulation and downstream effect involved the endocytic pathway in carcinogenesis? What role does Rab5 play in cell migration and invasion of cancer cells? The hypothesis is that growth factor signaling is dependent on Rab5 activity in mediating the aggressiveness of cancer cells. The goal is to demonstrate that IGF-1 signaling is dependent on Rab5 function in breast cancer progression. Here, the results thus far, have shown that while activation of Rab5 may mediate increased cell proliferation, migration and invasion in breast cancer cells, the Rab5 GEF, RIN1 interacts with the IGFR thereby facilitating migration and invasion activities in breast cells. Furthermore, endocytosis of the IGFR in breast cancer cells seems to be caveolin dependent as the data has shown. This taken together, the data shows that IGF-1 signaling in breast cancer cells relies on IGF-1R phosphorylation, caveolae internalization and sequestration to the early endosome RIN1 function and Rab5 activation.

ARP2/3 is an evolutionarily conserved heteroheptameric protein complex. Its main activity lies in the nucleation of dendritic actin filaments that are involved in membrane remodeling. ARP2/3 takes part in plasma membrane remodeling and the formation of cytoplasmic protrusions that serve in the amoeboid motion of mammalian cells and some protists and plays role in exocytosis and endocytosis of animal and yeast cells. The main objective of this work was to find a connection between the ARP2/3 complex and the regulation of the plant endomembrane system. Using TIRF microscopy we visualized the localization of the ARP2/3 complex in the cortical layer of plant cells and compared it to the localization of several endomembrane markers from the Rab family and an exocytotic marker Exo84b. In the vicinity of the plasma membrane, the ARP2/3 complex subunits localized to dynamic dots very similar to the localization of Exo84b protein. Colocalization analysis showed that a small portion of Exo84b marker and ARP2/3 complex signals colocalize and this result was seconded by the biochemical approach of coimmunoprecipitation. Key words: ARP2/3, endomembrane system, cortical layer, RabA1g, RabC1, RaD2a, Exo84b