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Les virus du papillome humain (VPH) sont de petits virus à ADN double brin infectant les épithéliums de la peau et des muqueuses. La réplication nécessaire au maintien de leur génome dans les cellules infectées dépend des protéines virales E1 et E2. Au cours de la réplication, E1 est recrutée à l’origine de réplication par E2 afin d’être assemblée en doubles hexamères capables de dérouler l’ADN. E1 contient un domaine C-terminal responsable de l’activité ATPase/hélicase, un domaine central de liaison à l’origine et une région N-terminale régulant la réplication in vivo. Cette région contient des signaux de localisation et d’export nucléaire qui modulent le transport intracellulaire de E1. Chez le virus du papillome bovin (VPB), il a été proposé que ce transport est régulé par la sumoylation de E1. Finalement, la région N-terminale de E1 contient un motif de liaison aux cyclines permettant son interaction avec la cycline E/A-Cdk2. La phosphorylation de E1 par cette dernière régule différemment l’export nucléaire des protéines E1 du VPB et du VPH. Dans la première partie de cette étude, nous avons démontré que bien que la protéine E1 des VPH interagit avec Ubc9, l’enzyme de conjugaison de la voie de sumoylation, cette voie n’est pas requise pour son accumulation au noyau. Dans la seconde partie, nous avons déterminé que l’accumulation nucléaire de E1 est plutôt régulée pas sa phosphorylation. En fait, nous avons démontré que l’export nucléaire de E1 est inhibé par la phosphorylation de sérines conservées de la région N-terminale de E1 par Cdk2. Puis, nous avons établi que l’export nucléaire de E1 n’est pas nécessaire à l’amplification du génome dans les kératinocytes différenciés mais qu’il est requis pour le maintien du génome dans les kératinocytes non différenciés. En particulier, nous avons découvert que l’accumulation nucléaire de E1 inhibe la prolifération cellulaire en induisant un arrêt du cycle cellulaire en phase S et que cet effet anti-prolifératif est contrecarrée par l’export de E1 au cytoplasme. Dans la troisième partie de cette étude, nous avons démontré que l’arrêt cellulaire induit par E1 dépend de sa liaison à l’ADN et à l’ATP, et qu’il est accompagné par l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN dépendante de ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated). Ces deux événements semblent toutefois distincts puisque la formation d’un complexe E1-E2 réduit l’activation de la voie de réponse aux dommages par E1 sans toutefois prévenir l’arrêt de cycle cellulaire. Finalement, nous avons démontré que la réplication transitoire de l’ADN viral peut avoir lieu dans des cellules arrêtées en phase S, indépendamment de l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN et de la kinase ATM. Globalement, nos résultats démontrent que l’export nucléaire de E1 est régulé par sa phosphorylation et non par sa sumoylation. Ils démontrent également que l’export nucléaire de E1 est essentiel au maintien du génome dans les kératinocytes, possiblement parce qu’il prévient l’inhibition de la prolifération cellulaire et l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN en limitant l’accumulation de E1 au noyau. / Human papillomaviruses (HPV) are small double-stranded DNA viruses that infect the differentiating epithelium of the skin and the mucosa. HPV rely on two viral proteins, E1 and E2, to replicate and maintain their genome in the nucleus of infected cells. During replication, the E1 helicase is recruited to the origin of replication by E2 and is assembled into a double-hexamer that unwinds DNA ahead of the replication fork. E1 is comprised of a C-terminal enzymatic domain with ATPase/helicase activity, a central origin-binding domain and a N-terminal regulatory region that is required for viral DNA replication in vivo. The latter region of E1 contains a nuclear localization signal and a nuclear export signal that regulate its shuttling between the nucleus and cytoplasm. For bovine papillomavirus (BPV) E1, this shuttling was suggested to be controlled by the sumoylation of E1. In addition to the NES and NLS, the N-terminal region of E1 contains a conserved cyclin-binding motif that is required for the interaction of E1 with cyclin E/A-Cdk2. Cdk2 phosphorylation of E1 has been reported to control the nuclear export of E1 from BPV and HPV, albeit differently. In the first part of this study, we showed that although HPV E1 interacts with Ubc9, the conjugating enzyme of the sumoylation pathway, this pathway is not required for its accumulation in the nucleus. In the second part, we found that the nuclear accumulation of E1 is, instead, regulated by phosphorylation. Specifically, we found that Cdk2-dependent phosphorylation of conserved serines in the E1 N-terminal region inhibits the nuclear export of HPV E1. Furthermore, we reported that nuclear export is not essential to amplify the viral genome in differentiating keratinocytes but that it is required for its long-term maintenance in undifferentiated keratinocytes. Importantly, we found that the nuclear accumulation of E1 induces a S-phase arrest that is detrimental to cellular proliferation and that this anti-proliferative effect can be counteracted by the export of E1 from the nucleus to the cytoplasm. In the last part of this study, we showed that this arrest is dependent on the DNA- and ATP-binding activities of E1. Furthermore, we found that the cell cycle arrest induced by E1 is accompanied by the activation of a DNA damage response (DDR) dependent on the ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) pathway. However, these two events seem to be distinct since complex formation with E2 reduces the ability of E1 to induce a DDR but does not prevent cell cycle arrest. Importantly, we demonstrated that transient viral DNA replication still occurs in S-phase arrested cells, independently of the induction of a DDR and of the ATM kinase. Collectively, these data indicate that nuclear export of E1 is regulated by phosphorylation and not by sumoylation. They also revealed that nuclear export of E1 is essential for maintenance of the viral episome in keratinocytes, at least in part to limit its nuclear accumulation and prevent its detrimental effect on cellular proliferation and induction of a DDR.

Les acides biliaires sont cruciaux pour l’absorption intestinale des lipides et ils représentent une voie majeure d’élimination du cholestérol. À concentration élevée, ils sont cytotoxiques et potentiellement carcinogènes. Il est donc essentiel de maintenir des niveaux adéquats afin de préserver une homéostasie optimale. Le récepteur nucléaire FXR est grandement impliqué dans cette régulation, en étant activé par les acides biliaires qui agissent comme ligands et en régulant les gènes nécessaires à leur synthèse et leur métabolisme. FXR est aussi impliqué dans le métabolisme lipidique et glucidique, tout en ayant un rôle anti-inflammatoire et antiprolifératif. Les mécanismes régulant l’expression et l’activité transcriptionnelle de FXR sont toutefois peu connus. Leur caractérisation pourrait mener à l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques pour les pathologies associées au syndrome métabolique. L’activation des récepteurs nucléaires peut se faire également de façon indépendante du ligand, soit via les modifications post-transcriptionnelles. Celles-ci permettent l’intégration d’une panoplie de signaux extracellulaires et l’adaptation de la réponse transcriptionnelle des récepteurs nucléaires aux variations de conditions cellulaires. La SUMOylation et l’ubiquitination sont deux modifications pouvant affecter la localisation cellulaire des récepteurs, leur interaction avec des partenaires protéiques, l’affinité de liaison au ligand, à l’ADN, leur dimérisation, la dégradation de leurs cibles et l’arrêt de la transcription. Étant donné le rôle important des modifications post-traductionnelles des récepteurs nucléaires en réponse aux divers signaux cellulaires, nous nous sommes intéressés particulièrement à leur impact sur la dégradation et l’activité transcriptionnelle de FXR. Nos études nous ont permis d’identifier et de caractériser un nouveau site de SUMOylation de FXR, impliqué dans la régulation du récepteur. Le résidu lysine responsable de conjuguer la protéine SUMO est localisé dans un motif non-consensus de SUMOylation, prénommé pSuM, qui est sous le contrôle de la phosphorylation d’un résidu serine régulé par la kinase CK2. Nous avons également déterminé que la modification de FXR par SUMO-2 permet le recrutement de l’ubiquitine E3-ligase SUMO-dépendante RNF4, qui induit l’ubiquitination et la dégradation de FXR. Cette cascade de signalisation est nécessaire pour l’activation transcriptionnelle de FXR et pour la régulation de l’expression des gènes cibles. Elle permet de contrôler ses niveaux protéiques de façon très dynamique et d’assurer ainsi une homéostasie optimale. Dans la deuxième étude, nous identifions un nouveau signal régulant l’activité transcriptionnelle de FXR. Les récepteurs tyrosine kinase de la famille EGFR/ErbB sont connus pour activer plusieurs voies de signalisation favorisant la croissance et la prolifération cellulaire. Cependant, leur expression et activité sont souvent altérées dans différents cancers, menant à une prolifération tumorale soutenue et dérégulée. Nous démontrons que l’activation des récepteurs de la famille EGFR/ErbB mène à la répression de l’activité transcriptionnelle de FXR en induisant la SUMOylation de FXR sur des résidus lysines situés dans des sites consensus de FXR. Étant donné le rôle antiprolifératif de FXR, l’impact répresseur des récepteurs ErbB sur l’activité de FXR pourrait contribuer à leur potentiel tumorigénique. Nos résultats approfondissent notre compréhension des mécanismes de régulation de l’expression et de l’activité de FXR. Étant donné son rôle important dans le métabolisme énergétique, la réponse transcriptionnelle de FXR doit être adaptée efficacement aux variations des conditions cellulaires dans un processus de régulation homéostatique. Les modifications post-traductionnelles assurent une régulation dynamique de l’activité de FXR et leur dérégulation pourrait être impliquée dans les pathologies associées au syndrome métabolique. / Bile acids are crucial for the absorption of intestinal lipids, and are directly involved in the efflux pathway to eliminate cholesterol. At high concentrations, bile acids are cytotoxic and potentially carcinogenic. It is therefore essential to maintain bile acids to adequate levels in order to preserve optimal homeostasis. Nuclear receptor FXR is directly involved in bile acid homeostasis by being activated by bile acids to regulate critical genes required for their synthesis and their metabolism. FXR is also involved in lipid and glucose metabolism, as well as having anti-inflammatory and anti-proliferative roles. However, the exact mechanisms regulating the degradation and activity of FXR are not well understood. Therefore, elucidation of FXR activity and response to cellular signals is essential to develop novel strategies and therapeutic targets for pathologies associated with the metabolic syndrome. Besides ligand activation, nuclear receptor can be regulated in a ligand-independent manner, mainly via post-translational modifications. Such modifications are important to allow homeostatic integration of diverse extracellular signals to ensure adaptation and transcriptional response of nuclear receptors. Among them, SUMOylation and ubiquitination are two modifications that modulate cellular localization of receptors, their interaction with protein partners, ligand binding and sensitivity, DNA affinity, receptor dimerisation, stability of their targets and transcriptional dynamics. Because of the important role of post-translational modifications in nuclear receptor function, we therefore study their specific impact in respect to FXR regulation and transcriptional competence. In this study, we have identified and characterized a new and non-consensus SUMOylation site involved in the regulation of FXR activity. This site, termed pSuM for phosphorylation-dependent SUMOylation motif, consists of a targeted lysine residue that conjugates SUMO proteins under the control of kinase CK2-mediated phosphorylation. We also determined that such modification of FXR with SUMO-2 induced the recruitment of SUMO-dependent E3 ligase RNF4, resulting in FXR ubiquitination and degradation. We demonstrate that this signaling cascade involving CK2 and RNF4 is required for FXR transcriptional activation and regulation of target gene expression. Our findings identify a cellular pathway that allows a dynamic control of FXR function to ensure efficient bile acid and energy metabolism in cells. In the second study, we identify a novel cellular signal that regulates FXR activity. Tyrosine kinase receptors of the EGFR/ErbB family are well known to participate in many signaling pathways, promoting cell growth and proliferation. Aberrant expression and activity of ErbB receptors are often associated to various cancers, leading to deregulated proliferation of tumors. Here, we show that ErbB activation leads to repression of FXR transcriptional activity by inducing FXR phosphorylation and specific SUMOylation at consensus sites. Because of the antiproliferative role of FXR, the negative impact of ErbB receptors on FXR transcriptional activity is thought to contribute to their tumorigenic potential. Altogether, our results expand our understanding of the mechanisms regulating FXR expression and activity. Because of its important role in lipid and energy metabolism, the transcriptional response of FXR needs to be efficiently adapted to variations of cellular conditions in order to achieve essential homeostatic control. As such, post-translational modifications ensure a dynamic regulation of FXR activity and their pathologic deregulation may be involved in diverse diseases associated with metabolic syndrome.

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation. / Three TRIM proteins (TRIpartite Motif), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) and PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), were studied in this thesis. TIF1α is a nuclear receptor coactivator and TIF1β is the universal corepressor of the KRAB-zinc finger repressor family of which, ZNF74 is studied here as a prototypic member. PML functions as a tumor suppressor and is the essential organiser of PML-NBs (PML-Nuclear Bodies) which are very dynamic nuclear macrostructures containing more than 40 proteins. The function of these three TRIM proteins is regulated by sumoylation, a post-translational modification involving the covalent linkage of SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) to specific targets lysine. In this thesis, we propose to develop new methods based on BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) to detect non-covalent nuclear protein interactions but also covalent linkage to SUMO in real time in living cells. To date, BRET was never used to assess non-covalent or covalent nuclear protein interactions. Studying transcriptionally active protein interactions represents a challenge by classical methods in particular when proteins have a tendency to aggregate (TRIM family) or when characterizing nuclear matrix proteins (ZNF74). In the first article, homo- and heterodimerisation of TIF1 α and β as well as their interaction with ZNF74 was assessed by BRET using full length proteins in living mammalian cells. We ascertained the heterodimerisation of TIF1α and β. Whereas ZNF74 interacts strongly with TIF1β, no interaction was detected with TIF1α. However, we unravelled the existence of ternary complexes involving ZNF74, TIF1α and TIF1β. This suggested that a mechanisms for cross-talk between nuclear receptors and KRAB-zinc finger proteins. Thus, we showed that BRET can be advantageously used as a non-transcription-based interaction system for studying transcriptionally active proteins, including nuclear matrix proteins, in living cells. Previous studies have shown that the sumoylation of PML (a tumour suppressor) is involved in its proteasome degradation that is As2O3-inducible and dependent on the polySUMO E3 ubiquitin ligase, RNF4. In the second article, we describe the development of a new application of the BRET method for the detection of covalent and non-covalent interactions with SUMO. Owing to this SUMO BRET assay, we established that the As2O3 / RNF4-mediated degradation of PML, not only depends on PML sumoylation as previously demonstrated, but also on the integrity of its SUMO binding domain. We also demonstrated that As2O3 which increases PML sumoylation, also enhances PML / RNF4 interaction. Our study revealed that most PML SBD non covalent interactions with sumoylated proteins required the phosphorylation of serines within PML SBD that were previously described as target sites for CK2 kinase and involved in PML degradation. Despites the involvement of PML SBD in RNF4-mediated degradation, these serines which function as an SBD phospho-switch, were not required for RNF4-mediated degradation. This suggested that CK2- and RNF4-mediated PML degradation represents two distinct pathways triggering PML ubiquitin / proteasome-dependent degradation. At last, our study led to the hypothesis that the recruitment of sumoylated PML at PML-Nuclear Bodies subnuclear structures via the PML SBD and / or possibly an E3 ubiquitin ligase activity other than RNF4 (PML itself being candidate) may favour PML degradation. Our study also stresses the dynamic involvement of three PML post-translational modifications, phosphorylation, sumoylation and ubiquitination in its degradation. A third article addressing the role of TIF1β sumoylation is presented in the Appendix. We characterized the 6 SUMO targets lysine of TIF1β and demonstrated that sumoylation is required for TIF1β transcriptional repressive activity. This is in part explained by the fact that TIF1β sumoylation is a pre-requisite for histone deacetylases recruitment since TIF1β repressive activity is partly dependent on histone deacetylases. We found that TIF1β sumoylation does not influence its homodimerisation or interaction with the KRAB box of KRAB zinc finger proteins recruiting TIF1β to promoters. TIF1β sumoylation is however relying on the integrity of TIF1β PHD finger and on its self-oligomerisation. Interestingly, we demonstrated that TIF1β sumoylation is positively regulated by its interaction with KRAB domain. It is thus suggested that KRAB-zinc finger proteins recruit TIF1β at DNA promoters where they trigger increase of TIF1β sumoylation and thus enhance its repressive activity.

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) reguliert die Genexpression, Proliferation und Differenzierung in verschiedenen Zelltypen. Die Funktion von C/EBPbeta wird durch Interaktionen mit einer Reihe von Kofaktoren moduliert, die Bestandteile von Chromatin-verŠndernden oder Transkriptions-regulierenden makromolekularen Maschinen sind. Die Identifikation und funktionelle Charakterisierung dieser Kofaktoren trŠgt ma§geblich zum VerstŠndnis der Biologie von C/EBPbeta bei. C/EBPbeta wird zudem in vielfŠltiger Weise posttranslational reguliert. Beispielsweise kann C/EBPbeta phosphoryliert, SUMOyliert, acetyliert und an mehreren Positionen an Arginin- und Lysinresten methyliert werden. Die SUMOylierung von C/EBPbeta gilt als SchlŸsselmodifikation, die nachfolgende Modifikationen steuert und zu einer VerŠnderung der genregulatorischen Eigenschaften von C/EBPbeta fŸhrt. C/EBPbeta bindet an zwei Enzyme der SUMOylierungsmaschinerie, Ubc9 und PIAS3. Es konnte gezeigt werden, dass PIAS3 nicht nur als E3-Ligase bei der SUMOylierungsreaktion dient, sondern auch mit SUMO-modifiziertem C/EBPbeta interagieren und als transkriptioneller Repressor wirken kann. Um weitere Interaktionspartner von C/EBPbeta zu identifizieren wurde ein System zur Proteom-weiten Identifikation von Bindungspartnern etabliert. Dazu wurden radioaktiv markierbare Proteinsonden hergestellt, welche die Identifikation von Bindungspartnern auf Protein-Macroarrays ermšglichten. Neben der transaktivierenden DomŠne (TAD) wurde die regulatorische Region in ihrer SUMOylierten und nicht-modifizierten Form in Screening-Experimenten eingesetzt. Eine Vielzahl von neuen C/EBPbeta-Bindungspartnern konnte identifiziert werden, wobei die konstitutive SUMOylierung C/EBPbeta-Interaktionen verŠndern kann. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um Mitglieder der Polycomb Gruppe, Chromatin-modifizierende Enzyme, SignaltransduktionsmolekŸle und transkriptionelle Koregulatoren. Wissenschaftlich besonders interessant war die Identifikation der Lysin-Methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) als Bindungspartner der transaktivierenden Region von C/EBPbeta. Diese Interaktion wurde durch GST-Bindungs- und KoimmunoprŠzipitationsstudien bestŠtigt. Durch massenspektrometrische Analysen konnte Monomethylierung der AminosŠuren K39 und K168 in C/EBPbeta nachgewiesen werden. Dadurch ergab sich die Vermutung, dass G9a nicht nur die Methylierung von Histon H3 katalysiert, sondern auch fŸr die Methylierung und Regulation von C/EBPbeta verantwortlich ist. Rekombinantes C/EBPbeta konnte durch G9a in vitro methyliert werden. Koexpression von C/EBPbeta und G9a fŸhrte zu einer Reduktion der transaktivierenden Eigenschaften von C/EBPbeta in AbhŠngigkeit von der katalytischen SET-DomŠne von G9a. Dieser Reduktion konnte durch Mutation der AminosŠuren K39 und K168 in Alanin entgegengewirkt werden. Als Bindungspartner der C/EBPbeta TAD konnte au§erdem die intrazellulŠre DomŠne von Notch1 (Notch1-ICD) identifiziert werden. Der Notch-Signalweg ist ein evolutionŠr konservierter Genschalter, der an vielen Entscheidungen in der Entwicklung sowie bei physiologischen und pathophysiologischen Prozessen im adulten Organismus, wie z. B. akuter lymphatischer T-Zell LeukŠmie (T-ALL), beteiligt ist. Die Interaktion zwischen Notch1-ICD und C/EBPbeta konnte in GST-Bindungsexperimenten und KoimmunoprŠzipitationsstudien verifiziert werden. In Reportergenstudien wurde eine Stimulation der C/EBPbeta-abhŠngigen Transkription durch Notch1-ICD beobachtet. C/EBPbeta ist demnach ein ZielmolekŸl des Notch1-Signalweges. / The transcription factor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) regulates gene expression, proliferation and differentiation of various cell types. The function of C/EBPbeta is modulated by a number of co-factors which are components of macromolecular machines that alter the state of chromatin or that regulate gene transcription. Identification and functional characterisation of these co-factors is crucial for understanding the biology of C/EBPbeta. C/EBPbeta is regulated by a number of posttranslational modifications and can be found in phosphorylated, SUMOylated, acetylated and arginine- or lysine-methylated forms. SUMOylation of C/EBPbeta is considered a key modification which controls subsequent modifications. These modifications alter the gene regulatory functions of C/EBPbeta. C/EBPbeta binds two enzymes of the SUMOylation machinery, Ubc9 and PIAS3. This study shows that PIAS3 not only has E3-ligase activity during the SUMOylation of C/EBPbeta, but also interacts with SUMO-modified C/EBPbeta leading to repression of transcription. A proteome-wide screening procedure was established to identify novel interaction partners of C/EBPbeta. It was based on radioactively labelled proteins that can be utilized as probes to identify binding partners on solid phase protein-macroarrays. The C/EBPbeta transactivation domain (TAD) and its regulatory region in SUMOylated and non-SUMOylated form were used in different screening approaches. Using this procedure a number of novel C/EBPbeta interaction partners were identified, that depended in part on the SUMOylation status of C/EBPbeta. The major part of the C/EBPbeta-interacting proteins are members of the Polycomb group, chromatin-modifying enzymes, signal transduction molecules and transcriptional co-regulators. Interestingly, the lysine-methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) was among the binding partners of C/EBPbeta that interacted with the TAD. This interaction was verified by GST-pulldown and co-immunoprecipitation studies. Mass spectrometrical analysis identified the amino acids K39 and K168 of C/EBPbeta to be mono-methylated. Therefore it was speculated that G9a not only catalyzes the methylation of Histone H3 but may also methylate and regulate C/EBPbeta. Indeed, recombinant C/EBPbeta could be methylated by G9a in vitro. Co-expression of C/EBPbeta and G9a resulted in a reduction of the transactivating potential of C/EBPbeta, which depended on the catalytical SET domain of G9a. This reduction could be counteracted by mutating the amino acids K39 and K168 to alanine. In addition to G9a, the Notch1 intracellular domain (Notch1-ICD) could also be identified as a novel binding partner of the C/EBPbeta TAD. Notch is a component of an evolutionary conserved pathway that acts on numerous physiological and pathophysiological processes during development and in the adult, e.g. T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). The interaction between Notch1-ICD and C/EBPbeta could be verified in GST-pulldown studies and by co-immunoprecipitation. Reporter gene studies showed a stimulation of C/EBPbeta-dependent transcription through Notch1-ICD. C/EBPbeta is therefore a novel target molecule of the Notch1 signaling pathway.

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Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation. / Three TRIM proteins (TRIpartite Motif), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) and PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), were studied in this thesis. TIF1α is a nuclear receptor coactivator and TIF1β is the universal corepressor of the KRAB-zinc finger repressor family of which, ZNF74 is studied here as a prototypic member. PML functions as a tumor suppressor and is the essential organiser of PML-NBs (PML-Nuclear Bodies) which are very dynamic nuclear macrostructures containing more than 40 proteins. The function of these three TRIM proteins is regulated by sumoylation, a post-translational modification involving the covalent linkage of SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) to specific targets lysine. In this thesis, we propose to develop new methods based on BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) to detect non-covalent nuclear protein interactions but also covalent linkage to SUMO in real time in living cells. To date, BRET was never used to assess non-covalent or covalent nuclear protein interactions. Studying transcriptionally active protein interactions represents a challenge by classical methods in particular when proteins have a tendency to aggregate (TRIM family) or when characterizing nuclear matrix proteins (ZNF74). In the first article, homo- and heterodimerisation of TIF1 α and β as well as their interaction with ZNF74 was assessed by BRET using full length proteins in living mammalian cells. We ascertained the heterodimerisation of TIF1α and β. Whereas ZNF74 interacts strongly with TIF1β, no interaction was detected with TIF1α. However, we unravelled the existence of ternary complexes involving ZNF74, TIF1α and TIF1β. This suggested that a mechanisms for cross-talk between nuclear receptors and KRAB-zinc finger proteins. Thus, we showed that BRET can be advantageously used as a non-transcription-based interaction system for studying transcriptionally active proteins, including nuclear matrix proteins, in living cells. Previous studies have shown that the sumoylation of PML (a tumour suppressor) is involved in its proteasome degradation that is As2O3-inducible and dependent on the polySUMO E3 ubiquitin ligase, RNF4. In the second article, we describe the development of a new application of the BRET method for the detection of covalent and non-covalent interactions with SUMO. Owing to this SUMO BRET assay, we established that the As2O3 / RNF4-mediated degradation of PML, not only depends on PML sumoylation as previously demonstrated, but also on the integrity of its SUMO binding domain. We also demonstrated that As2O3 which increases PML sumoylation, also enhances PML / RNF4 interaction. Our study revealed that most PML SBD non covalent interactions with sumoylated proteins required the phosphorylation of serines within PML SBD that were previously described as target sites for CK2 kinase and involved in PML degradation. Despites the involvement of PML SBD in RNF4-mediated degradation, these serines which function as an SBD phospho-switch, were not required for RNF4-mediated degradation. This suggested that CK2- and RNF4-mediated PML degradation represents two distinct pathways triggering PML ubiquitin / proteasome-dependent degradation. At last, our study led to the hypothesis that the recruitment of sumoylated PML at PML-Nuclear Bodies subnuclear structures via the PML SBD and / or possibly an E3 ubiquitin ligase activity other than RNF4 (PML itself being candidate) may favour PML degradation. Our study also stresses the dynamic involvement of three PML post-translational modifications, phosphorylation, sumoylation and ubiquitination in its degradation. A third article addressing the role of TIF1β sumoylation is presented in the Appendix. We characterized the 6 SUMO targets lysine of TIF1β and demonstrated that sumoylation is required for TIF1β transcriptional repressive activity. This is in part explained by the fact that TIF1β sumoylation is a pre-requisite for histone deacetylases recruitment since TIF1β repressive activity is partly dependent on histone deacetylases. We found that TIF1β sumoylation does not influence its homodimerisation or interaction with the KRAB box of KRAB zinc finger proteins recruiting TIF1β to promoters. TIF1β sumoylation is however relying on the integrity of TIF1β PHD finger and on its self-oligomerisation. Interestingly, we demonstrated that TIF1β sumoylation is positively regulated by its interaction with KRAB domain. It is thus suggested that KRAB-zinc finger proteins recruit TIF1β at DNA promoters where they trigger increase of TIF1β sumoylation and thus enhance its repressive activity.

Les virus du papillome humain (VPH) sont de petits virus à ADN double brin infectant les épithéliums de la peau et des muqueuses. La réplication nécessaire au maintien de leur génome dans les cellules infectées dépend des protéines virales E1 et E2. Au cours de la réplication, E1 est recrutée à l’origine de réplication par E2 afin d’être assemblée en doubles hexamères capables de dérouler l’ADN. E1 contient un domaine C-terminal responsable de l’activité ATPase/hélicase, un domaine central de liaison à l’origine et une région N-terminale régulant la réplication in vivo. Cette région contient des signaux de localisation et d’export nucléaire qui modulent le transport intracellulaire de E1. Chez le virus du papillome bovin (VPB), il a été proposé que ce transport est régulé par la sumoylation de E1. Finalement, la région N-terminale de E1 contient un motif de liaison aux cyclines permettant son interaction avec la cycline E/A-Cdk2. La phosphorylation de E1 par cette dernière régule différemment l’export nucléaire des protéines E1 du VPB et du VPH. Dans la première partie de cette étude, nous avons démontré que bien que la protéine E1 des VPH interagit avec Ubc9, l’enzyme de conjugaison de la voie de sumoylation, cette voie n’est pas requise pour son accumulation au noyau. Dans la seconde partie, nous avons déterminé que l’accumulation nucléaire de E1 est plutôt régulée pas sa phosphorylation. En fait, nous avons démontré que l’export nucléaire de E1 est inhibé par la phosphorylation de sérines conservées de la région N-terminale de E1 par Cdk2. Puis, nous avons établi que l’export nucléaire de E1 n’est pas nécessaire à l’amplification du génome dans les kératinocytes différenciés mais qu’il est requis pour le maintien du génome dans les kératinocytes non différenciés. En particulier, nous avons découvert que l’accumulation nucléaire de E1 inhibe la prolifération cellulaire en induisant un arrêt du cycle cellulaire en phase S et que cet effet anti-prolifératif est contrecarrée par l’export de E1 au cytoplasme. Dans la troisième partie de cette étude, nous avons démontré que l’arrêt cellulaire induit par E1 dépend de sa liaison à l’ADN et à l’ATP, et qu’il est accompagné par l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN dépendante de ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated). Ces deux événements semblent toutefois distincts puisque la formation d’un complexe E1-E2 réduit l’activation de la voie de réponse aux dommages par E1 sans toutefois prévenir l’arrêt de cycle cellulaire. Finalement, nous avons démontré que la réplication transitoire de l’ADN viral peut avoir lieu dans des cellules arrêtées en phase S, indépendamment de l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN et de la kinase ATM. Globalement, nos résultats démontrent que l’export nucléaire de E1 est régulé par sa phosphorylation et non par sa sumoylation. Ils démontrent également que l’export nucléaire de E1 est essentiel au maintien du génome dans les kératinocytes, possiblement parce qu’il prévient l’inhibition de la prolifération cellulaire et l’activation de la voie de réponse aux dommages à l’ADN en limitant l’accumulation de E1 au noyau. / Human papillomaviruses (HPV) are small double-stranded DNA viruses that infect the differentiating epithelium of the skin and the mucosa. HPV rely on two viral proteins, E1 and E2, to replicate and maintain their genome in the nucleus of infected cells. During replication, the E1 helicase is recruited to the origin of replication by E2 and is assembled into a double-hexamer that unwinds DNA ahead of the replication fork. E1 is comprised of a C-terminal enzymatic domain with ATPase/helicase activity, a central origin-binding domain and a N-terminal regulatory region that is required for viral DNA replication in vivo. The latter region of E1 contains a nuclear localization signal and a nuclear export signal that regulate its shuttling between the nucleus and cytoplasm. For bovine papillomavirus (BPV) E1, this shuttling was suggested to be controlled by the sumoylation of E1. In addition to the NES and NLS, the N-terminal region of E1 contains a conserved cyclin-binding motif that is required for the interaction of E1 with cyclin E/A-Cdk2. Cdk2 phosphorylation of E1 has been reported to control the nuclear export of E1 from BPV and HPV, albeit differently. In the first part of this study, we showed that although HPV E1 interacts with Ubc9, the conjugating enzyme of the sumoylation pathway, this pathway is not required for its accumulation in the nucleus. In the second part, we found that the nuclear accumulation of E1 is, instead, regulated by phosphorylation. Specifically, we found that Cdk2-dependent phosphorylation of conserved serines in the E1 N-terminal region inhibits the nuclear export of HPV E1. Furthermore, we reported that nuclear export is not essential to amplify the viral genome in differentiating keratinocytes but that it is required for its long-term maintenance in undifferentiated keratinocytes. Importantly, we found that the nuclear accumulation of E1 induces a S-phase arrest that is detrimental to cellular proliferation and that this anti-proliferative effect can be counteracted by the export of E1 from the nucleus to the cytoplasm. In the last part of this study, we showed that this arrest is dependent on the DNA- and ATP-binding activities of E1. Furthermore, we found that the cell cycle arrest induced by E1 is accompanied by the activation of a DNA damage response (DDR) dependent on the ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) pathway. However, these two events seem to be distinct since complex formation with E2 reduces the ability of E1 to induce a DDR but does not prevent cell cycle arrest. Importantly, we demonstrated that transient viral DNA replication still occurs in S-phase arrested cells, independently of the induction of a DDR and of the ATM kinase. Collectively, these data indicate that nuclear export of E1 is regulated by phosphorylation and not by sumoylation. They also revealed that nuclear export of E1 is essential for maintenance of the viral episome in keratinocytes, at least in part to limit its nuclear accumulation and prevent its detrimental effect on cellular proliferation and induction of a DDR.

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