L’introduction commence avec la description de toxines d’origines bactérienne et végétale, en particulier la toxine Shiga ainsi que les toxines de la même famille (chapitre 9.1.2). Les petites molécules inhibitrices de ces toxines sont ensuite résumées dans le chapitre 9.1.3, en particulier le composé Retro-2. L’efficacité de ces toxines à atteindre leurs cibles reposant sur le trafic intracellulaire, un aperçu général de l’endocytose et du trafic endosomal sont présentés (chapitre 9.2). Puis, l’entrée de la voie rétrograde est décrite (chapitre 9.2.5), avec un intérêt particulier porté sur la clathrine, le rétromère et GPP130, une protéine qui circule de manière continue entre le Golgi, la membrane plasmique et les endosomes. Les protéines SNARE, en particulier la syntaxine-5 et le syntaxine-16, sont ensuite introduites (chapitre 9.2.6). Après une brève section sur les micro-ARNs de la famille 199 (chapitre 9.3), l’introduction se termine avec la description des techniques clés utilisées au cours de mon travail, tels que la chimie click bio-orthogonale, la synchronisation du trafic antérograde par rétention grâce à des hameçons spécifiques (RUSH), et la ligation par proximité basé sur des anticorps (chapitre 9.4).Ci-inclus, mon article en cours de soumission ouvre la partie résultats (chapitre 10.1), dans laquelle je présente l’intérêt de la chimie click bio-orthogonale pour identifier les cibles cellulaires de Retro-2. Je décris un des candidats potentiels, Sec16A, et illustre comment grâce à la technique de RUSH, perturber la fonction de Sec16A conduit à la relocalisation partielle de la syntaxin-5 au niveau du reticulum endoplasmique via l’inhibition du transport antérograde de la syntaxine-5. La seconde partie de l’article décrit comment la relocalisation de la syntaxine-5 induit l’inhibition du trafic de la toxine Shiga des endosomes au TGN. Je présente une nouvelle interaction entre la syntaxine-5 et la protéine TGN GPP130, qui ont déjà été caractérisées en relation avec le trafic de la toxine Shiga. Mon travail connecte à la fois les facteurs de trafic avec le trafic rétrograde au niveau de l’interface endosome-TGN. De manière frappante, cette interaction est très probablement basée sur une fonction non-SNARE de la syntaxine-5 car le domaine de fixation sur GPP130 est structurellement non lié à toute fonction SNARE.En collaboration avec Juan Francisco Aranda et Carlos Fernandez aux Etats-Unis, nous avons placés des micro-ARNs dans un contexte de régulation endogène du trafic rétrograde de la toxine Shiga (chapitre 11.2). Une discussion plus approfondie sera apportée dans le chapitre 12.Enfin, une vue d’ensemble des projets en cours est apportée dans la section des perspectives (chapitre 12), dans laquelle les collaborations plus approfondies sont mises en lumière.Mots clés : transport rétrograde, toxine Shiga, toxine de la famille Shiga, STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, chimie click sans cuivre, identification des cibles de petites molécules, spétrométrie de masse, function non-SNARE, inhibition du trafic antérograde, miARN, miR199, rétromère, VPS26 / The introduction of my PhD manuscript starts with describing plant and bacterial toxins (chapter 9.1), in particular Shiga toxin and Shiga-like toxins (SLTs) (chapter 9.1.2). Small molecule inhibitors of these toxins are summarized afterwards in chapter 9.1.3, notably the Retro-2 compound. Since these toxins rely on intracellular trafficking to reach their molecular targets, a general overview of endocytosis and endosomal trafficking is provided (chapter 9.2). Next, the retrograde route entry is presented (chapter 9.2.5), with focus on clathrin, the retromer and GPP130, a protein that constantly cycles between Golgi, plasma membrane, and endosomes. SNARE proteins, particularly syntaxin-5 and syntaxin-16, are then introduced (chapter 9.2.6). After a brief section of the micro RNA family 199 (chapter 9.3), the introduction finishes with the description of some salient techniques that were used in my work, such as - bio-orthogonal Click-Chemistry, anterograde trafficking synchronization with the retention using selective hooks (RUSH) assay, and the antibody-based proximity ligation assay (chapter 10.6.1, 0, 10.11.1).Herein, my submitted publication opens the results part (chapter 11.1), in which I present the utility of biorthogonal click chemistry for the search of the cellular targets of Retro-2, a small molecule inhibitor that was previously shown to protect cells and animals against Shiga toxin and ricin. I describe that Sec16A is a likely cellular target candidate, and illustrate using the RUSH approach how interfering with Sec16A functions leads to the partial relocalization of syntaxin-5 to the endoplasmic reticulum (ER) by slowing-down its anterograde transport. The second part of the paper describes how syntaxin-5 relocalization causes the inhibition of Shiga toxin trafficking from endosomes to the TGN. I present a novel interaction between syntaxin-5 and the Golgi protein GPP130, which both have been already described in relation to Shiga toxin trafficking. My work connects both trafficking factors in retrograde trafficking at the endosomes-TGN interface. Strikingly, I demonstrate that this interaction is most probably based on a non-SNARE function of syntaxin-5.In collaboration with Juan Francisco Aranda and Carlos Fernandez in the US, we put micro RNAs into an endogenous regulation context of Shiga toxin retrograde trafficking (chapter 11.2). An extended discussion will be given in chapter 12.Last, a general outlook of ongoing projects is given in the perspectives section (chapter 13), in which further collaborations are highlighted.Keywords: Retrograde transport, Shiga toxin, Shiga-like toxin (SLT), STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, azide-functionalized Retro-2, copper-free click chemistry, small molecule target identification, mass spectrometry, non-SNARE function, anterograde trafficking inhibition, miRNA, miR199, retromer, VPS26

Vaccinia virus (VACV), the prototypic poxvirus, undergoes a complex life cycle, with multiple stages that are not yet fully understood. This work studied two cellular proteins which had previously been identified by siRNA screens as playing proviral roles in the replication cycle of VACV: the dual specificity mitogen-activated protein kinase kinase 3 (MKK3) and vacuolar protein sorting 52 (Vps52). MKK3 is an upstream regulator in the p38 pathway which, along with MKK6, phosphorylates and therefore activates p38. In HeLa cell cultures, siRNA depletion experiments confirmed that MKK3 supported VACV replication. MKK3 knockdown reduced production of both early and late-class VACV proteins, suggesting that it facilitates viral gene expression. However, this difference did not translate to an in vivo model, as comparison between wild type and MKK3 knockout mice infected with VACV revealed no significant differences in virus replication or overall disease. The Golgi-associated retrograde protein complex (GARP) is composed of four large heteromeric proteins: Vps51, Vps52, Vps53 and Vps54, and plays a key role in retrograde transport from endosomes to the TGN. The effects of loss of GARP function were investigated using three techniques: mouse embryonic fibroblasts (MEFs) containing the hypomorphic Vps54 “wobbler” mutation, Vps52-targetting siRNA in HeLa cells and pharmacological inhibition of retrograde transport using the drug Retro-2. GARP loss resulted in a marked reduction in VACV spread due to a reduction specifically in “double wrapped” extracellular enveloped virion (EEV) production. Investigation of the mechanism by which GARP facilitates EEV production revealed a disruption of the VACV morphogenesis pathway prior to the double wrapping event, resulting in mislocalisation and aggregation of the viral membrane protein B5 within the cytoplasm. The effects of GARP loss translated to an in vivo model, as mice infected with VACV and treated with Retro-2 exhibited reduced viral replication and overall disease. These results identify GARP as a pro-viral host complex required for EEV production, and suggest that cellular retrograde transport pathways are required for double-wrapping of VACV virions. Overall, the study illustrates both the potential pitfalls of carrying out genetic screens in a transformed cell line and the power of such studies to nevertheless identify novel features of virus biology as well as druggable targets for antiviral intervention.

Chlamydia trachomatis ist ein obligat intrazelluläres Humanpathogen, welches sich, nach der Einnistung in seiner Wirtszelle, innerhalb einer membranumhüllten Vakuole, der sogenannten Inklusion, befindet. Die Inklusionsmembran stellt dabei die primäre Kontaktfläche für Pathogen–Wirtszell-Interaktionen dar und definiert dadurch die Nische, in welcher sich die Bakterien vermehren können. Zum ersten Mal beschreiben wir in dieser Arbeit die Isolation und biochemische Charakterisierung der Inklusion von C. trachomatis, mittels herkömmlicher Organellaufreiniungsverfahren und massenspektrometrischer Proteomanalyse an einem zentralen Zeitpunkt der Infektion. Die relative Quantifizierung von Proteinen mittels stabiler isotopenmarkierter Aminosäuren in Zellkultur (SILAC) und die zusätzliche markierungsfreie Quantifizierung erlaubten uns die Darstellung dieses subzellulären Proteoms mit hohem Konfidenzniveau. Mithilfe dieser Methoden haben wir über dreihundert Wirtszellproteine identifiziert und quantifiziert, welche noch nicht als inklusionslokalisiert bekannt waren. Die globale Analyse dieser Daten bestätigte die Rekrutierung vieler Proteine, welche in verschiedenen Membrantransportwegen involviert sind. Zudem fanden sich viele Proteine des retrograden Transportweges, welcher bislang nicht im Zusammenhang mit Chlamydien-Infektionen untersucht wurde. Die detaillierte Analyse dieser Proteine zeigte, dass Sorting Nexine sehr spezifisch zur Inklusion rekrutiert werden. Zudem haben wir mithilfe des unlängst beschriebenen Inhibitors Retro-2 gezeigt, dass retrograder Transport essenziell für die effiziente intrazelluläre Replikation von C. trachomatis ist. Zusammengefasst haben wir eine große Anzahl zuvor unbekannter inklusionsassoziierter Proteine identifiziert und quantifiziert, und auf Basis unserer Daten schlagen wir den retrograden Transportweg als neues Potenzielles Angriffsziel von Therapeutika zur Behandlung von C. trachomatis Infektionen vor. / Chlamydia trachomatis is an obligate intracellular human pathogen which, after invasion of its host cell, resides within a membrane bounded vacuole called the inclusion. The inclusion membrane represents the main host-pathogen interface of Chlamydiae and thereby defines the environment in which the bacteria thrive. Here we describe for the first time the isolation and biochemical characterization of the mid-infection inclusion of C. trachomatis using mass spectrometry based proteomics in combination with traditional organelle purification techniques. Relative quantification by Stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) and additional label free quantification allowed the generation of a high confidence subcellular proteome. Using this approach, we were able to identify and quantify over three hundred host cell proteins that were not reported previously to be inclusion localized. By analyzing the obtained data on a global scale, we were able to confirm previous reports on the recruitment of proteins implied in several membrane trafficking pathways. Detailed analysis of proteins identified to be involved in retrograde trafficking, a pathway that has not been described previously in the context of chlamydial infections, showed that sorting nexins are specifically recruited to the inclusion. We furthermore identified retrograde trafficking to be essential for the efficient intracellular replication of C. trachomatis using the recently described inhibitor Retro-2, which drastically reduced bacterial progeny formation upon treatment. Taken together, we identified and quantified a large number of previously unknown inclusion associated proteins, and we propose retrograde trafficking as a novel potential drug target for the treatment of infections with C. trachomatis.

Les toxines Shiga (Stx) sont produites par Shigella dysenteriae et certaines espèces d’E. coli transmisent aux humains par la consommation d'aliments contaminés et causant des maladies graves. La toxine Stx est libérée par les bactéries dans l'intestin et par la suite, traverse les vaisseaux sanguins en aval pour atteindre leurs principaux organes cibles, notamment les reins. Les dommages causés aux reins peuvent entraîner des complications graves notamment Le syndrome hémolytique urémique (SHU). A ce jour, il n’existe aucun traitement disponible contre le SHU. Les toxines Stx usent du transport rétrograde intracellulaire pour infester les cellules endothéliales rénales et atteindre leur cible cytosolique, l'ARN ribosomal 28S. Via un screening à haut débit, il a été démontré que le composé Rétro-2 bloque le trafic rétrograde de Stx à l'interface Endosome-TGN, sans affecter la morphologie des organites cellulaires et le trafic des protéines endogènes. Au cours de cette thèse, une analyse des relations structure fonction du composé Retro-2 nous a permis d’identifier les régions de l'inhibiteur qui sont critiques pour l'activité de protection. Nous avons identifié un dérivé dihydroquinazolinone nommé Rétro-2.1 qui est à ce jour l'inhibiteur le plus puissant contre les toxines Stx. Afin d’identifier la cible moléculaire de Retro-2.1, nous avons développé des sondes photo-activables bio-actives. En outre, les données de diffraction des rayons X ont révélé que de l'activité antitoxine réside principalement dans l’énantiomère S. (S) -Retro-2.1 est 500 fois plus puissant contre Stx (50 nM) que la molécule initiale. Cette étude peut donner lieu à un nouveau concept thérapeutique ciblant la voie de transport rétrograde de la toxine à l'intérieur de la cellule hôte. Une telle stratégie thérapeutique pourrait donc être étendue à d'autres agents pathogènes qui usent également du trafic rétrograde pour une intoxication des cellules hôtes. Ce nouveau concept thérapeutique qui permet de cibler les cellules hôtes et non l'agent pathogène représente une véritable percée dans la découverte de médicaments à large spectre et réduit le risque de développement d’une résistance chez l’agent pathogène. / Shiga toxins (Stx) are produced by Shigella dysenteriae and certain species of E. coli that can be transmitted to humans primarily through consumption of contaminated foods and may cause severe disease. Stx is released by the bacteria in the intestine and subsequently, could cross the downstream blood vessels to reach their main target organs such as kidney. Damage to the kidney can result in serious life-threatening complication hemolytic uremic syndrome, for which there is no proven safe treatment available other than supportive care. Stx invades renal endothelial cells in a retrograde manner from cell surface to the endoplasmic reticulum in order to gain access to its cytosolic target, 28S rRNA. By using HTS, it was previously demonstrated that the compound Retro-2 blocks retrograde trafficking of Stx at the early endosome-TGN interface, without affecting the morphology of cellular organelles and trafficking of other endogenous proteins. In this work, different regions of the lead inhibitor Retro-2 that are critical for the protective activity have been determined by systematic structure-activity relationship studies. It allowed us to identify a dihydroquinazolinone derivative, named Retro-2.1 that is the most potent inhibitor of Stx to date and also to develop bio-active photo-activatable probes with the aim of identifying the molecular target of Retro-2 derivatives. Further, crystal X-ray diffraction data revealed that the antitoxin activity resides mainly in the S-enantiomer. (S)-Retro-2.1 has displayed 500 fold more potency (50 nM) than parent molecule against Stx cytotoxicity. This study may result in a new therapeutic concept - targeting the retrograde transport route of toxin inside host cell - for the treatment of Stx-producing E. coli infections and could therefore be extended to other pathogens that also traffic via the retrograde transport. Such a new therapeutic concept that target the host cells and not the pathogen itself would represent a real breakthrough in drug discovery leading to broad spectrum drugs.

Dans l'introduction, diverses voies de trafic intracellulaire et endocytose seront discutées. Je familiarise le lecteur avec des protéines inactivant les ribosomes, en mettant l'accent sur la structure, l'endocytose, et le trafic intracellulaire de la toxine bactérienne Shiga toxin (STX). STx et la ricine suivent la voie rétrograde pour exercer leur effet toxique sur les cellules. Ils sont respectivement, une menace maladie infectieuse pour la santé humaine et des outils potentiels pour le bioterrorisme pour lequel aucun antidote n’existe actuellement. D'un criblage à haut débit, Retro-1 et Retro-2 avaient déjà été identifiés comme de puissants inhibiteurs de la voie rétrograde à l'interface des endosomes précoces-TGN, et Retro-2 a été démontré pour protéger les souris contre la ricine. Parmi les facteurs de trafic analysés, seule la protéine SNARE syntaxine-5 a été ré- localisée dans les cellules traitées avec Rétro - 2. / In the introduction, various endocytic and intracellular trafficking pathways will be discussed. I acquaint the reader with ribosome-inactivating proteins, with emphasis on the structure, endocytosis, and intracellular trafficking of the bacterial toxin Shiga toxin (STx). STx and ricin follow the retrograde route to exert their toxic effect on cells. They are respectively, an infectious disease threat to human health and potential tools for bioterrorism for which no antidote currently exists. From a high throughput screening, Retro-1 and Retro-2 had previously been identified as potent inhibitors of the retrograde route at the early endosomes-TGN interface, and Retro-2 was demonstrated to protect mice against ricin. Of the trafficking factors analyzed, only the SNARE protein syntaxin-5 was re-localized in Retro-2 treated cells. Yet, whether syntaxin-5 is the direct target of Retro-2 and whether its re-localization was directly responsible for retrograde transport inhibition remained to be established.