Nous cherchons à comprendre le mode de fonctionnement d’HACE1, un suppresseur de tumeur majeur, dont l’expression est altérée dans 50% des tumeurs humaines. Notre équipe a démontré que cette ubiquitine-ligase cible et provoque la dégradation de Rac1 au niveau du protéasome. Rac1 est une protéine oncogénique promouvant la croissance tumorale. En ciblant Rac1, HACE1 permet de restreindre le stress oxydatif des cellules, diminuant ainsi leurs dommages à l’ADN. Pour comprendre les voies de signalisation cellulaires ciblées par HACE1, nous avons ensuite recherché des protéines interagissant avec elle. Mes travaux révèlent que l'optineurine (OPTN), une protéine jusqu’alors connue dans des désordres neuro-dégénératifs, forme un complexe avec HACE1. Nous avons montré que ce complexe régule transcriptionnellement et traductionnellement la Cycline-D1. Nous avons également montré que l’OPTN se localise dans les points d'ancrage des cellules à la matrice extracellulaire (MEC) et régule leur formation. En réponse à l’élasticité de la MEC, nous avons montré que le complexe HACE1-OPTN réprime, au travers du métabolisme, la division cellulaire. Une étude que nous avons effectuée sur des données cliniques indiquerait l'importance d’une perte d’expression d’OPTN dans le cancer du sein, associée à des dérégulations des tensions de la MEC tumorale / We have established a novel regulatory mechanism that restricts Rac1 activity through ubiquitylation and targeting to the proteasome of the active form of the GTPase for degradation and signal termination. This regulation is dominant over the classical GEF/GAP cycle of regulation. We identified the E3 ubiquitin ligase (E3L) HACE1 as the main enzyme that catalyzes Rac1 ubiquitylation. HACE1 is a major tumor suppressor that limits Rac-dependent NADPH oxidase complex activity, S phase entry, cell migration, mammary cell transformation and tumor growth in animal models. In order to determine how HACE1 activity is controlled, we conducted a whole genome two-hybrid screen and identified Optineurin (OPTN) as a primary partner of the E3L HACE1. We report that OPTN is a new Extracellular matrix (ECM) stiffness sensor that activates HACE1 E3L activity. OPTN controls adhesion-mediated ubiquitin-proteasome degradation of Rac1 to tune Rac1 signaling with tissue stiffness. Loss of OPTN is associated with a gain of cell-ECM adhesive properties and enhanced integrin-mediated proliferative signaling and metabolic activity. Interestingly, cells that loose OPTN display atypical mechanical properties and apparent uncoupling of Focal Adhesions growth from acto-myosin contractile activity. Together, our findings establish the first link between the Rac1 ubiquitylation pathway and ECM compliance sensing and define OPTN as a previously unknown mechanical sensor. OPTN and HACE1 would then act as a tumor-suppressor complex that adapts cell proliferative response to ECM mechanical properties in order to insure both Tensional integrity and Redox homeostasis of cells

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

In a targeted proteomic screen to identify polarity protein complexes, a number of Scribble (Scrib) -associating proteins were identified; of particular interest was the Nitric Oxide Synthase 1 Adaptor Protein (NOS1AP). NOS1AP contains an N-terminal phosphotyrosine binding (PTB) domain and a C-terminal PSD-95/Dlg homology/ZO-1 (PDZ) binding motif that associates with neuronal NOS (NOS1). We show that the PTB domain of NOS1AP associates with the fourth PDZ domain of Scrib. We identified NOS1AP binding partners including three key regulators of dendritic spine formation, beta-Pix, Git1, and PAK, which require Scrib to associate with NOS1AP. Overexpression of NOS1AP in cultured hippocampal neurons increases dendritic protrusions, a process dependent on the PTB domain. The increase in dendritic protrusions can be blocked by the co-expression of a dominant negative Rac construct. NOS1AP, and the PTB domain of NOS1AP influence Rac activity. Together these data suggest that Scrib and NOS1AP function as important scaffolding proteins in the mammalian synapse and that NOS1AP functions in the dendritic spine by influencing Rho GTPase activity.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La cellule de Purkinje (PC) est l'élément central du réseau neuronal du cortex cérébelleux et possède un arbre dendritique très développé qui se développe au cours des trois premières semaines post-natales chez la souris. Cette arborisation nécessite de nombreux réarrangement du cytosquelette, un processus contrôlé par les GTPases et leurs régulateurs, les GEFs et les GAPs, dans de nombreux types cellulaires. Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'implication de la signalisation des RhoGTPases dans le développement post-natal du cervelet, et plus particulièrement des PCs chez la souris. Afin d'identifier de nouveaux acteurs de la signalisation des RhoGTPases impliqués dans la différenciation des PCs, nous avons établi le profil d'expression de toutes les GTPases et des GEFs de la famille DOCK à différents stades de développement de ces cellules (P3, P7, P15, P20) par Q-PCR en temps réel. Cette approche globale nous a permis d'identifier une GTPase, RhoQ, et un GEF, DOCK10, dont l'expression est très fortement augmentée au cours du développement des PCs. Nous avons montré que l'extinction de leur expression par infection lentivirale dans un modèle de coupes organotypiques de cervelet ou dans des neurones d'hippocampe entraine une très forte diminution du nombre d'épines dendritiques, révélant un rôle crucial de ces protéines dans la différenciation des PCs. / Purkinje cell (PC) occupy a central and integrative position in the synaptic network of the cerebellum and have the most elaborate dendritic tree among CNS neurons, which develops remarkably in the first three postnatal weeks in mice. This arborization requires intensive actin cytoskeleton remodeling, a process known in many cell types to be controlled by Rho GTPases and their regulators, GEFs and GAPs. During my thesis, I investigated the importance of Rho signaling during postnatal mouse cerebellar development, focusing on PC differentiation.In order to identify novel regulators of PC differentiation among members of the Rho signaling pathway, I undertook a global approach, comparing gene expression profiles of all mammalian Rho GTPases and all GEFs of the DOCK family at various stages of postnatal PC differentiation (P3, P7, P15 and P20) using real-time quantitative PCR. My global approach has allowed the identification of two Rho signaling actors, the GTPase RhoQ and the RhoGEF DOCK10, whose expressions increase dramatically during cerebellar development. Lentiviral shRNA-mediated knock down of their expression in organotypic cerebellar cultures and in hippocampal neurons showed strong dendritic spine defects, revealing an essential role for these proteins in PC differentiation.

Le cycle réplicatif du HIV-1 aboutit à la formation de virions qui s’assemblent dans des microdomaines spécifiques localisés à la membrane plasmique ou sur des compartiments intracellulaires particuliers, nommés VCC pour « Virus-Containing Compartments ». Selon les cas, ces virions sont ensuite relâchés par bourgeonnement ou exocytose. Ces étapes nécessitent un remodelage membranaire via le cytosquelette d’actine, ce qui est régulé par des voies de signalisation contrôlées par les RhoGTPases. Certains résultats suggèrent l’implication de ces protéines dans la biogénèse du HIV-1. Cependant, il reste à caractériser les mécanismes moléculaires spécifiquement impliqués dans la régulation cellulaire de l’assemblage viral.L’objectif de cette thèse consistait donc à identifier les RhoGTPases et les effecteurs des voies de signalisation spécifiquement requis durant la biogénèse virale. Cette étude a porté sur les GTPases Rac1, Cdc42 et RhoA car elles ont un rôle majeur dans la régulation du cytosquelette d’actine et de la dynamique membranaire. Elle a été réalisée sur les lymphocytes T (LT) Jurkat, cellules modèles pour l’infection HIV-1 où les virions s’assemblent à la membrane plasmique ; et les cellules adhérentes HeLa où les virions peuvent aussi s’assembler au niveau des VCC. Nos résultats ont révélé le rôle de la voie de signalisation Rac1-IRSp53-Wave2 dans l’assemblage de Gag à la membrane plasmique des LT Jurkat, et un rôle pour RhoA dans la régulation de l’assemblage viral suggéré au niveau des VCC. Ce travail améliore la compréhension des voies de signalisation cellulaires sollicitées lors de l’assemblage du HIV-1, en particulier dans les lymphocytes T, cibles du virus. / During the last steps of HIV-1 replication cycle, the Gag proteins come together in particular microdomains located at the plasma membrane or in some intracellular compartments, named “Virus-containing compartments”. Then, the viral particles are released by budding or exocytosis. All these steps involve membrane and actin cytoskeleton remodeling which is regulated by the RhoGTPases. In fact, some data suggest the implication of such proteins in HIV-1 biogenesis, but molecular mechanisms underlying this effect is not yet understood. During this thesis, our aim was to characterize the RhoGTPases and the effectors of cell signaling pathways which are specifically required during HIV-1 particle biogenesis. We focused our study on the GTPases Rac1, Cdc42 and RhoA because their influence on membrane and actin cytoskeleton was essential. Moreover, this work was accomplished on Jurkat T lymphocytes which are model cells to HIV-1 infection where the Gag proteins assemble at the plasma membrane, and on HeLa cells where the Gag proteins can also assemble on virus-containing compartments. Our results showed the requirement of the Rac1-IRSp53-Wave2 signaling pathway for HIV-1 Gag assembly at the plasma membrane of Jurkat T cells, and a role for RhoA GTPase in the regulation of viral particle assembly on virus-containing compartments in HeLa cells. This study improved understanding of cell signaling pathways required during the HIV-1 particle biogenesis and release, particularly in T cells which are the main host cell for HIV-1.

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Le virus de la maladie de Marek (MDV) est un α-herpèsvirus aviaire responsable de lymphomes chez la poule. En absence de virions libres détectables en culture cellulaire, il est couramment admis que ce virus se dissémine uniquement de cellule à cellule par un mécanisme non identifié à ce jour. Mon travail de thèse comprenait 3 parties. La première avait pour objectif d’étudier la contribution des contacts cellulaires et de possibles virions extracellulaires dans la dissémination de MDV. La seconde partie visait à étudier le rôle du cytosquelette d’actine dans la dissémination intercellulaire du MDV et l’implication des voies de signalisation des RhoGTPases. J’ai montré que l’activité de la voie Rho-ROCK favorise la dissémination du MDV au contraire de la voie Rac-PAK. Un possible lien entre la dissémination du MDV et les jonctions adhérentes, maintenues par l’activité de la voie Rho-ROCK, est discuté. Enfin, la troisième partie avait pour but le développement d’un nouveau test de dissémination entre cellules sur un cycle viral unique. Pour cela, j’ai construit un virus MDV rapporteur inductible et des lignées cellulaires aviaires exprimant une flippase. / Marek’s disease virus (MDV) is an avian α-herpesvirus which is responsible for lymphomas in chicken. In absence of detectable cell-free virions in cell culture, it is well admit that this virus only spread from cell-to-cell. The involved mechanisms remain unknown. My thesis work was divided in three parts. The objectives of the first one were to study the contribution of cell contacts and of potential extracellular infectious virions on MDV spread. The second part aimed at studying the role of the actin cytoskeleton in MDV intercellular spread and the involvement of RhoGTPase signaling pathways. I showed that the Rho-ROCK signaling pathway promotes the dissemination in contrast to the Rac-PAK signaling pathway. A possible link between MDV spread and adherens junctions, maintained by Rho-ROCK signaling, is discussed. The third and last part had the purpose to develop a new assay of MDV spread between cells on a single viral cycle. For this, I built an inducible reporter MDV virus and avian cell lines expressing a flippase.

L’équipe a identifié une nouvelle GAP de RhoA, ARHGAP19, majoritairement exprimée dans le système hématopoïétique. Le projet a consisté à étudier la régulation de cette protéine dans des lymphocytes T humains. Pour cela, les analyses se sont portées sur la phosphorylation d’ARHGAP19 et sur sa localisation au cours de la division des lymphocytes T. ARHGAP19 est phosphorylée par l’effecteur de RhoA, la protéine kinase ROCK, sur la Sérine 422 et par la protéine kinase mitotique CDK1 sur les Thréonines 404 et 476. La phosphorylation par ROCK permet à ARHGAP19 d’interagir avec la famille de protéines 14-3-3 qui la protège des déphosphorylations pouvant avoir lieu au cours de la division cellulaire. L'ensemble des phosphorylations est primordial pour la régulation de la localisation cellulaire d'ARHGAP19 et contribue à une division cellulaire correcte. En effet, en absence de phosphorylation, on observe des défauts lors de la cytodiérèse entrainant la formation de cellules multinucléées. De plus, des dérégulations de RhoGTPases comme l’absence de GAP, sont aujourd’hui mises en évidence dans les cancers. C’est pourquoi nous avons généré des souris arhgap19 KO pour étudier les conséquences de l’absence du gène codant pour ARHGAP19, dans le système hématopoïétique murin. L’ensemble des cellules progénitrices et matures intervenant dans l’hématopoïèse murine a été analysé. Par ce modèle d’invalidation conditionnelle d’arhgap19, aucun rôle majeur de la protéine n'a été mis en évidence mais les résultats suggèrent une implication aux différents stades de la différenciation hématopoïétique et un impact sur l'ensemble des populations de ce système. / The team identified a new GAP of RhoA, ARHGAP19, mostly expressed in the hematopoietic system. The project consisted in studying the regulation of this protein in human T lymphocytes. For this, the analyzes focused on the phosphorylation of ARHGAP19 and on its localization during the division of the T lymphocytes. ARHGAP19 is phosphorylated by the effector of RhoA, the protein kinase ROCK, on the Serine 422 and by the protein CDK1 mitotic kinase on Threonines 404 and 476. ROCK phosphorylation allows ARHGAP19 to interact with the 14-3-3 family of proteins that protects it from dephosphorylation that occur during cell division. All phosphorylations are essential for regulating the cellular localization of ARHGAP19 and contribute to correct cell division. Indeed, in the absence of phosphorylation, defects are observed during cytodiérèse resulting in the formation of multinucleate cells. In addition, deregulation of RhoGTPases, such as the absence of GAP, are now highlighted in cancers. This is why we generated arhgap19 KO mice to study the consequences of the absence of the gene coding for ARHGAP19, in the murine hematopoietic system. All progenitor and mature cells involved in murine hematopoiesis were analyzed. By this model of conditional invalidation of arhgap19, no major role of the protein has been demonstrated but the results suggest an involvement at different stages of hematopoietic differentiation and an impact on all populations of this system.

Dans cette thèse, nous avons concentré notre étude sur les mécanismes qui génèrent la polarité cellulaire, en particulier dans le cas de la migration cellulaire. Malgré les derniers développements concernant l’observation de l’activité des RhoGTPases, les principes qui dictent la capacité des cellules à coordonner plusieurs modules de signalisation en parallèle ne sont toujours pas compris. L’optogénétique est un outil d’intérêt pour disséquer ces réseaux de signalisation à partir de la création d’une perturbation dont les caractéristiques spatiotemporelles sont contrôlées. Tout d’abord, à partir de la caractérisation des différents processus biophysiques en jeu, nous avons établi les relations quantitatives entre l’illumination et les gradients moléculaires que l’on induit. Nous avons déterminé qu’il est possible de créer des gradients subcellulaires avec une résolution spatiale de l’ordre de 5 μm et temporelle d’environ 3 minutes Ensuite, nous avons utilisé cette approche optogénétique pour contrôler l’activité de Cdc42, Rac1 et RhoA. Nous avons caractérisé les effets subcellulaires de l’activation de ces RhoGTPases en utilisant l’activité de membrane, les changements de forme cellulaire et leurs déplacements comme rapporteurs de la polarisation et de la migration. Nous avons ainsi montré qu’une activation locale de RhoGTPase permet la réorganisation interne des cellules jusqu’à générer un phénotype de migration.Enfin, nous avons caractérisé les effets d’une activation locale de RhoA sur différents acteurs moléculaires comme les points focaux d’adhésion, l’actine et les moteurs moléculaires myosines. Nous avons mesuré alors la dynamique de l’intégration des points focaux dans le cytosquelette et analysé la réponse du réseau d’acto-myosine au cours d’évènements de rétraction.Notre approche optogénétique couple le contrôle d’une perturbation à la mesure de la réponse cellulaire simultanément de manière directe et reproductible. Elle apporte une méthode pour contrôler la polarité cellulaire et une manière de disséquer des réseaux de signalisation à l’échelle subcellulaire. / In this thesis we focus on the mechanisms that establish cell polarization, particularly during cell migration. Despite latest developments that enable visualization of RhoGTPases activity, the underlying principles dictating the cell’s ability to coordinates multiple signaling modules is still unclear. Optogenetic methods have been recognized as promising tools to dissect these intracellular signaling networks by allowing perturbations to be spatially and temporally controlled. We established the quantitative relationship between illumination patterns and the corresponding gradients of induced signaling activity through the characterization of the biophysical properties of CRY2/CIBN. We determined that it is possible to create subcellular gradients of recruited proteins of different shapes of choice up to spatial resolutions of 5μm and temporal ones of ca. 3 minutes.We applied the aforementioned optogenetic approach as a means to perturb the activity of cdc42, Rac1 and RhoA. We characterized the effects of subcellular activation of those RhoGTPases using membrane activity, cell shape changes and cell displacement as reporters of cell polarization and migration. We show that localized activation of RhoGTPases can trigger cellular organization and drive the cell into a migrating state.We also characterized the effects of local activation of RhoA on different cellular effectors as focal adhesion complexes, actin filaments and myosin molecular motors. We measured the dynamics of the newly formed focal adhesion complexes and the acto-myosin complex during retraction events.Altogether, our optogenetic methodology enables simultaneous measurement of the imposed perturbation and the cell response in a straightforward and reproducible way. It provides a quantitative way to control cell polarity and a step forward in the dissection of subcellular signaling networks.