This work sought to investigate the clinical phenotypes and molecular basis of cardio-facio-cutaneous syndrome (CFC), a germline disorder of the Ras-MAPK pathway, like Noonan syndrome (NS) and neurofibromatosis type I, caused by mutations in genes encoding proteins that act within this signal transduction pathway. CFC is most commonly due to mutation in BRAF, and less commonly MAP2K1, MAP2K2 or KRAS. A proportion of patients currently have no mutation identified. Mutations and clinical features of patients with a molecular diagnosis of CFC were investigated, which demonstrated a wide range of causative mutations, and some unclassified variants. Both known and novel clinical features of CFC were identified. A strong association between severe contractures and the p.(Tyr130Cys) mutation in MAP2K1 was found, which has not previously been reported. In contrast to the large number of patients with a confirmed molecular diagnosis, several with a highly suggestive clinical phenotype have been found to have no mutationin any of the known CFC genes. The molecular basis of these presentations was investigated by conventional Sanger sequencing of candidate genes. Fourteen patients with the p.(Ser2Gly) mutation in SHOC2 were identified, with clinical presentations consistent with CFC, NS or CS. Target enrichment and massively parallel sequencing of selected genes was undertaken in ten patients. Mutations in known genes were identified in four patients (including the positive control). Candidate causative variants in novel genes were suggested in two further patients, one of which was confirmed on Sanger sequencing. Whole exome sequencing of patient-parent trios was also undertaken to identify de novo variants. Three trios were analysed, and in one patient with a clinical diagnosis of CFC, a frameshift mutation in NF1 was identified, which was confirmed by Sanger sequencing to be present and de novo. The molecular effects of CFC-associated mutations in BRAF on Ras-MAPK pathway signalling were studied in cell culture systems, using Western blotting for ERK1/2 phosphorylation, in vitro kinase assays and luciferase assays, to assess activity of downstream targets of the Ras-MAPK pathway. Altered pathway activity was demonstrated for novel variants that had not previously been characterised at the molecular level, which was in keeping with the findings of the effects of previously studied mutations. The cardiac phenotype in animal models of CFC, CS and NS/CFC was explored using expression microarrays to identify potentially important genes and pathways in the pathogenesis of hypertrophic cardiomyopathy (a progressive but potentially treatable disease feature) in these conditions. A signature of increased expression of Myh7, the embryonic form of myosin, was identified in the heart of the mouse model of CFC due to a B-Raf mutation at four weeks postnatal age, but comparative analysis suggested significant differences in either the mechanisms causing cardiac phenotypes, or the timescales over which these may exert their effects, in the three models. In summary, the most significant findings of this work were that SHOC2 mutation is a frequent cause of a severe NCFC presentation, and massively parallel sequencing can be an effective means of molecular investigation of this group of disorders. Novel features of CFC syndrome that were identified include severe contractures in association with p.(Tyr130Cys) mutations in MAP2K1. The analysis of mouse models of the NCFCs was hampered by heterogeneity within the expression microarray results, and low levels of expression of the H-Ras mutant allele in the mouse model of Costellosyndrome.

L’étude d’échantillons humains montre que les voies de signalisation RAS/MAPK et PI3K/AKT/mTOR sont fréquemment activées de manière aberrante dans les tumeurs de la prostate, d’autant plus dans les phases de résistance aux traitements. Ces deux voies de signalisation sont sensibles aux facteurs de croissances et impliquées dans la régulation de processus cellulaires fondamentaux tels que la prolifération, la croissance ou encore la différenciation cellulaire. Ces données suggèrent qu’elles ont un rôle essentiel dans la tumorigenèse prostatique. Cependant, le rôle respectif de chacune de ces voies dans la carcinogenèse prostatique, particulièrement dans les phases précoces, n’est pas clairement établit. L’objectif de ma thèse est donc de définir le rôle possible de ces deux voies dans l’initiation et la progression du cancer de la prostate, ainsi que les mécanismes impliqués dans leur co-dérégulation. Cette étude est réalisée dans un modèle in vivo alternatif, la drosophile, qui possèdent un équivalent fonctionnel de la prostate : les glandes accessoires. La première partie des travaux réalisés montre que seule la suractivation de la voie RAS/MAPK dans la glande accessoire conduit à un processus de tumorigenèse, avec la production de masses cellulaires récapitulant de nombreuses caractéristiques cancéreuses : croissance cellulaire et prolifération incontrôlée, expression de métalloprotéases, perte de l’expression de marqueurs épithéliaux et formation de nouvelles trachées. Cependant, les deux voies de signalisation sont nécessaires à la tumorigenèse, mais avec des rôles différents : la voie RAS/MAPK est activée précocement et est capable de recruter la voie PI3K/AKT/TOR grâce à la mise en place de deux boucles autocrines de régulation. La première dépend de spitz (dEGF) et du récepteur EGFR pour amplifier l’activation de la voie RAS/MAPK. La seconde dépend de l’activation d’ILP6 (dIGF1), produit suite à l’activation de la voie RAS/MAPK, et permet le recrutement de la voie PI3K/AKT/TOR par l’intermédiaire du récepteur à l’insuline InR. La deuxième partie des travaux réalisés montre que l’activation de la voie RAS/MAPK conduit à la production de MMP1 dans les cellules qui seront à l’origine des tumeurs avant leur extravasation hors de l’épithélium. Cette expression temporelle contrôlée correspond à une étape où une réorganisation du cytosquelette a lieu et où le microenvironnement est altéré. Ces données placent donc la dérégulation de la voie RAS/MAPK comme un évènement précoce de la tumorigenèse prostatique, capable de recruter la voie PI3K/AKT/TOR et d’entrainer la production de MMP1, pour in fine conduire à l’extravasation des cellules et à la formation de tumeurs. / Clinical studies have demonstrated that, in prostate cancer, RAS/MAPK and PI3K/AKT/TOR signaling pathways are often aberrantly co-activated in tumors, their activation levels increasing again in resistance phases. These pathways, that are regulated by growth factors, are implicated in fundamental cellular processes regulation such as proliferation, growth and cellular differentiation. These data suggest that they are likely implicated in prostate tumorigenesis. However, the relative implication of each of these two pathways during prostate tumorigenesis, especially during early phases, is not fully understood. Thus, the aim of my thesis is to define the possible implication of these pathways in prostate cancer initiation and progression and which molecular mechanisms are implicated in their co-deregulation. Therefore, we have developed an alternative in vivo model of prostate tumorigenesis in drosophila, where accessory glands are a functional equivalent of the human prostate. The first part of my work shows that only the hyperactivation of the RAS/MAPK pathway in accessory glands can promote tumorigenesis, with the formation of cell masses that recapitulate many cancer hallmarks including uncontrolled cell growth and proliferation, enhanced matrix metalloproteinases expression, loss of epithelial markers expression, neovascularization-like tracheogenesis. However, both pathways are necessary to tumorigenesis, even though they display different roles: the RAS/MAPK pathway is activated earlier and is able to recruit the PI3K/AKT/TOR pathway thanks to the formation of two feedback loops. The first depend on Spitz (dEGF) and EGFR receptor to amplify RAS/MAPK pathway activation. The second depends on ILP6 (dIGF1) activation, produced following RAS/MAPK pathway activation and allow PI3K/AKT/TOR pathway recruitment via insulin receptor InR. The second part of the work shows that RAS/MAPK pathway activation allows MMP1 production restricted to the cells that will be the origin of the tumors, before their actual extravasation. This temporally controlled step of MMP1 expression corresponds to a time window where the cells show strong cytoskeletal reorganization and where microenvironment is disturbed. These data place the RAS/MAPK pathway deregulation as an early event of prostate tumorigenesis, able to recruit the PI3K/AKT/TOR pathway and to induce MMP1 production to allow cell extravasation and tumor formation.

Comprendre comment les facteurs génétiques et environnementaux interagissent au cours du développement est une question fondamentale en biologie. Je me suis intéressée à cette question en utilisant le réseau de développement de la vulve du nématode C. elegans comme système modèle. L'objectif de mon projet était une étude quantitative de la modulation par l'environnement des voies de signalisation impliquées dans ce processus telles que, Ras, Delta-Notch et Wnt. J'ai tout d'abord analysé comment un facteur environnemental spécifique (la carence nutritionnelle) modifie les activités et les interactions entre les voies de signalisation sous-jacentes au développement vulvaire chez C. elegans. J'ai ainsi mis en évidence que l'augmentation de l'induction vulvaire par la carence passe par une augmentation de l'activité de la voie Ras et est indépendante de la voie Wnt. Cet effet de l'environnement est assuré par la détection de la diminution de l'apport en nutriments, probablement par l'action de la voie TOR, et affecte l'induction vulvaire en parallèle ou en amont du récepteur à l'EGF. J'ai ensuite examiné la sensibilité environnementale du système de développement de la vulve de Caenorhabditis dans une perspective évolutive et ce, grâce à l'analyse comparative de différents isolats. J'ai pu observer que l'exposition à des températures extrêmes induit des variants et des défauts de manière fortement dépendante de la souche et de l'espèce. L'occurrence de certains défauts développementaux induits par la température révèlent en outre que certaines cellules précurseurs de la vulve et les voies de signalisation associées présentent une sensibilité environnementale différente.

The RAS-MAPK syndromes are a group of clinically and genetically related disorders, characterized by cardiac defects, facial dysmorphism, cutaneous abnormalities and neurocognitive impairment. The pathogenesis is dysregulation of the RAS-MAPK pathway, and several genes within the pathway are involved. The present thesis aimed at identifying genetic causes in three of the RAS-MAPK syndromes - Noonan syndrome (NS), cardio-facio-cutaneous syndrome (CFC) and Neurofibromatosis-Noonan syndrome (NFNS) - and at correlating genotype with phenotype. A mutation analysis of six genes associated with the RAS-MAPK syndromes in NS and CFC patients revealed mutations in 10/31 patients. The results suggested more complex genetic overlap and genetic heterogeneity among these syndromes than previously believed. Subsequently, gene dosage imbalances of seven RAS-MAPK-syndrome-related genes were investigated in mutation-negative patients. A multiplex ligation-dependent probe amplification strategy was developed that excluded copy number changes of these genes as a common mechanism in NS. Genetic causes of clinical variability in NS were investigated where an atypical and severe NS patient was described. In addition, multiple café-au-lait (CAL) spots affected the patient and four otherwise healthy family members. Molecular analysis of four candidate genes revealed a previously described de novo PTPN11 mutation and an inherited NF1 variant in the patient. Neither of them explained the CAL spots trait, which consequently represented a distinct entity. The results suggested that the atypical and severe phenotype in the patient could be a consequence of an additive effect. Finally, a family displaying NFNS was investigated clinically and molecularly revealing a novel mutation in the GAP-domain of NF1. Furthermore, the results suggested that other RAS-MAPK-syndrome-related genes are not involved in NFNS. A proposal of prioritizing the GAP-domain of NF1 in NFNS was presented. Conclusively, these studies contribute to further understanding of the RAS-MAPK syndromes and facilitate the diagnostic process and future prognosis prediction.

Les fichiers accompagnant le document sont en format Microsoft Excel 2010. / Les modèles classiques de signalisation cellulaire eucaryotes sont généralement organisés en voies linéaires et hiérarchiques, impliquant un ensemble de facteurs restreint. Ces facteurs forment un circuit isolé qui transmet une information externe vers sa destination, d’où une réponse cellulaire sera alors engendrée. Or, ces modèles sont justement le fruit d’approches expérimentales réductionnistes qui ne permettent pas d’intégrer aisément la contribution de facteurs multiples, ni de faire une évaluation quantitative de l’apport des composantes du système. Le développement de techniques d’investigation plus holistiques, telles la génomique fonctionnelle et la protéomique, permettent d’examiner de manière systématique et quantitative l’apport d’ensembles larges de facteurs et de les mettre en relation avec d’autres systèmes cellulaires. Il y aurait donc lieu de réévaluer le modèle de voie de signalisation linéaire au profit d’un modèle de réseau de signalisation multiparamétrique, comportant plusieurs branches d’entrée et sortie de signal interagissant avec d’autres systèmes cellulaires. Cet ouvrage porte sur la voie RAS/MAPK, l’un des principaux axes de signalisation associé à la prolifération et la différenciation cellulaires. Le sujet y est d’abord abordé sous l’angle d’une perspective historique, en mettant l’emphase sur les contributions des études de génétique classique chez les organismes modèles D. melanogaster et C. elegans. Il fait ensuite état du développement du criblage par ARNi pan-génomique dans ces deux modèles en le comparant aux approches de criblage génétique classique. Le corps de l’ouvrage décrit ensuite les résultats expérimentaux d’une campagne de criblage par ARNi visant à dresser une carte globale des régulateurs de la voie chez la drosophile. Trois groupes de régulateurs identifiés dans ce crible ont été caractérisés de manière plus détaillée. Dans un premier article, nous démontrons que les composantes du complexe EJC ont un impact sur l’épissage de mapk; une découverte doublement intéressante puisque l’EJC était jusqu’alors associé qu’à la régulation post-épissage des ARNm. Une seconde publication fait état de l’ensemble des résultats du crible ARNi, mettant l’emphase sur un ensemble de facteurs d’épissage qui modulent également mapk. Nous y montrons que l’impact de ces facteurs sur l’épissage alternatif est différent de celui de l’EJC, suggérant ainsi deux modes de régulation distincts. Finalement, dans un troisième manuscrit, nous nous attardons au rôle d’Usp47, une déubiquitinase qui, contrairement aux autres facteurs identifiés dans le crible, régule l’expression de MAPK de manière post-traductionnelle. Nous y détaillons une stratégie de criblage d’interaction génétique par ARNi visant à identifier des facteurs reliés fonctionnellement à Usp47. Ce second crible a permis l’identification de trois facteurs reliés au « N-end rule », un mécanisme de dégradation des protéines caractérisé par la reconnaissance des résidus N-terminaux de protéines ou peptides. Il existait jusqu’alors très peu de données quant à la régulation de l’expression des composantes de la voie MAPK, ce qui rend la description d’un large réseau de régulateurs agissant sur l’expression de MAPK d’autant plus insoupçonnée. L’absence d’un réseau équivalent rattaché aux autres composantes de la voie laisse supposer que MAPK serait un noeud servant de point d’entrée à ce type de régulation dans le système RAS/MAPK. De plus, nos travaux témoignent de la capacité de la génomique fonctionnelle à mettre en relation différents systèmes cellulaires de manière plus globale et à quantifier les liens établis entre eux. / The classical model of eukaryotic cellular signalling generally involves hierarchically organized linear pathways involving a restricted set of elements. These generally function together as an insulated circuit, transmitting information from the outside to the intracellular compartment involved in eliciting a response. These models, often the fruit of reductionist experimental approaches, do not allow for the integration of multiple inputs nor for a gradation of responses. The recent emergence of more holistic investigation techniques has brought about the re-evaluation of these classical models in favor of multiparametric signalling networks. This thesis focuses on the RAS/MAPK pathway, one of the cell’s main proliferation and differentiation signalling conduits, beginning with a historical perspective covering the contributions of model organism genetics to the current pathway model. This provides context for the description of a whole-genome RNAi screen experiment that we carried out to obtain a global view of regulators in Drosophila. Three groups of factors emerging from this screen were then examined in more detail. A first article shows that the exon junction complex (EJC) plays a role in mapk alternative splicing, an observation that is unexpected given that this complex was not previously known to act on splicing. A second paper details the genome wide screening campaign and focuses on a large set of splicing factors that also regulate mapk, albeit in a distinct manner than the EJC’s. Finally, a manuscript in a third segment examines Usp47 function and finds it to control MAPK levels post-translationally. An RNAi-based genetic interaction screen is then used to identify factors functionally related to Usp47 capable of counteracting its impact on MAPK levels. Three such factors identified through this technique are linked to the N-end rule protein degradation pathway. Regulation of core pathway component expression is a poorly described process, which makes the identification of a large set of factors regulating MAPK expression all the more unusual. Moreover, the absence of such regulation linked to other pathway components suggests that MAPK may act as a node incorporating inputs of this type into RAS/MAPK signaling dynamics.