L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2. / Cell adaption to the external environment relies on proper signal transduction that is orchestrated by a plethora of molecular events. Among these molecular events, post-translational modifications (PTMs) of proteins help to spatiotemporally integrate, translate and dispatch signals so cells can respond to external stimuli. Among these post-translational modifications, the Ubiquitin-like proteins (Ublps) play a major role in almost all signaling pathways. This thesis reports functional and structural studies of the covalent and non-covalent interactions between the Small Ubiquitin-related MOdifier (SUMO), a member of the Ublps family, and three scaffold proteins, TIF1beta, the corepressor of KRAB-Multifinger proteins, PIAS1, a SUMO E3 ligase and the Promyleocytic leukemia (PML) tumor suppressor protein. The first study reports the identification and the biochemical characterization of TIF1betaSUMOylation sites. We mapped six SUMOylation sites in TIF1beta and determined that the covalent modification of these sites by SUMO is essential for its transcriptional repression activity. In addition, we present evidence indicating that SUMOylation of TIF1beta requires not only its ability to homo-oligomerize, but is positively regulated through its interaction with KRAB domains found in zinc-finger proteins. Based on this finding, we postulate that these KRAB domain containing multifinger proteins not only recruit TIF1beta co-repressor to target genes but also increase its repressive activity through enhancement of its SUMOylation. The work in the second study reveals that in addition to suppressing transcription as a covalent PTM, SUMO plays an important role in repression as a non-covalent protein-protein interaction partner. We determine that SUMO can form a repressive complex by simultaneously forming non-covalent interactions with UBC9 and PIAS1, the E2 and E3 enzymes in the SUMOylation system. In addition, we report that the formation of the PIAS1:SUMO:UBC9 ternary complex is modulated by the phosphorylation of serine residues juxtaposed to a SUMO-Interacting Motif (SIM) found in PIAS1. Thus SUMO acts as a specific adaptor that stabilizes UBC9 E2: PIAS1 E3 interactions. Based on this finding, we propose that the E2 and E3 enzymes from other Ublps systems exploit similar mechanisms as part of their function Finally, our third study explores the regulation of SUMO non-covalent interactions by phosphorylation. Using a combination of in vivo and in vitro studies we demonstrate that the interaction between SUMO1 and PML is governed by CK2-dependent phosphorylation of four serine residues in PML. Crystal structures of PML-SIM:SUMO1 complexes reveal that these PML phospho-serine specifically contact SUMO1 basic patch residues. Since CK2 kinase is induced by stress activated kinases pathways, this indicates that SUMO non-covalent interactions are regulated by cellular stress. Based on this finding, we postulated that analogous events influence other CK2-targeted SIM-containing proteins. In summary, this study reveals that in addition to its well described function as PTM, SUMO can function as an adaptor enabling specific proteins interactions such as functional E3:E2 enzymes pairs.

Au cours de la transcription, plusieurs facteurs sont assemblés sur les ARN messagers pour former des Ribonucléoparticules de messagers (mRNPs), et contrôler leur maturation, leur stabilité et leur devenir dans le cytoplasme. Afin d’assurer la production de protéines fonctionnelles, la cellule dispose de plusieurs mécanismes de régulation et de contrôle de qualité assurant la fidélité de l’information génétique transmise au niveau ARN messager et protéine.Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, un ensemble de protéines associées au pore nucléaire, incluant la SUMO protéase Ulp1, a été impliqué dans un contrôle de qualité des mRNPs régulant leur export vers le cytoplasme. Ces données suggéraient que l’export des ARN messagers pourrait être contrôlé par la modification post-traductionnelle par le polypeptide SUMO d’un ou de plusieurs effecteurs au sein des mRNPs. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons combiné plusieurs approches visant à identifier ces protéines SUMOylées. En particulier, nous avons mis en place un crible protéomique visant à identifier les protéines dont l’association sur les mRNPs dépend d’Ulp1. Ce crible nous a permis de mettre en évidence une régulation par Ulp1 de l’assemblage du complexe THO sur les ARN messagers. Ce complexe, recruté sur les gènes et les mRNPs, est connu pour contribuer à l’efficacité de la transcription, prévenir l’instabilité génétique liée à la formation d’hybrides ADN matrice – ARN messager (dénommés R-loops) et permettre l’export des mRNPs. En combinant l’analyse biochimique de différentes catégories de mRNPs à des expériences d’immunoprécipitation de l’ARN, nous avons montré que l’activité de la SUMO-protéase Ulp1 est nécessaire à l’association du complexe THO sur différents ARN messagers. De plus, nous avons montré que le complexe THO est SUMOylé sur le domaine C-terminal de sa sous-unité Hpr1, et que Ulp1 régule cette modification. Enfin, cet événement de SUMOylation du complexe THO régule son association avec les mRNPs. L’analyse fonctionnelle de mutants affectant la SUMOylation du complexe THO révèle que des défauts de SUMOylation de ce complexe compromettent ses fonctions dans la transcription sans affecter l’export. De manière intéressante, nous avons observé que la présence d’un intron sur des rapporteurs LacZ diminue la sensibilité de leur expression à des inactivations ou des défauts de SUMOylation du complexe THO. Ce phénotype entraine une augmentation relative des niveaux d’ARN pré-messagers dans ces mutants, un phénomène rendant compte de la fuite cytoplasmique apparente d’ARN non épissés précédemment observée dans le mutant ulp1. L’ensemble de ces données caractérise pour la première fois un rôle de la SUMOylation dans le contrôle de l’assemblage et du devenir cellulaire des mRNPs. / During transcription, several factors associate with mRNA to form messenger Ribonucleoparticles (mRNPs), thereby controlling their processing, their stability, and their cytoplasmic fate. To ensure the production of functional proteins from these mRNAs, eukaryotic cells contain numerous regulatory and quality control systems in order to prevent aberrant mRNP accumulation and export.In the yeast Saccharomyces cerevisiae, several nuclear pore associated proteins, including the SUMO isopeptidase Ulp1, have been involved in a mRNP quality control regulating their nuclear export. These data suggested that post-translational modification by SUMO of one or several mRNP components could regulate mRNA export. In order to understand the molecular mechanisms underlying this process, we undertook several approaches to identify these SUMOylated factors. In particular, we have set up a proteomic screen to identify mRNP components whose assembly onto mRNPs depends on Ulp1 activity.This proteomic survey revealed an Ulp1-dependent regulation of THO complex assembly to mRNPs. This complex, recruited to transcribed genes and mRNPs, is known to regulate transcription elongation by preventing DNA-RNA hybrids formation (termed R-loops), and mRNP export. Through a combination of proteomic analysis of mRNPs assembled in Ulp1 mutant cells, with RNA / chromatin immunoprecipitation experiments, we demonstrate that Ulp1 controls specifically the recruitment of the THO complex within mRNPs. SUMOylation analysis further reveals that Ulp1 targets the THO complex subunit Hpr1 on its C-terminal domain for deSUMOylation. We further show that this SUMOylation event regulates THO complex association within mRNPs. Finally, functional analysis reveal that impaired deSUMOylation of the THO complex do not affect mRNP export, but disturbs expression of LacZ reporter genes, a phenotype classically associated with THO complex dysfunction. Intriguingly, the transcriptional effect of inactivation or impaired deSUMOylation of the THO complex on LacZ expression is alleviated by the presence of an intron, providing a molecular basis for previously reported pre-mRNA leakage phenotypes. Our data therefore unravels for the first time a function of SUMO in the control of mRNP assembly contributing to proper mRNP homeostasis.

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Les gènes ING (Inhibitor of Growth) sont des gènes candidats suppresseurs de tumeurs conservés de la Levure à l'Homme. Les protéines ING ont des fonctions suppressives de tumeurs de type I ou « caretaker » car elles participent aux processus de maintien de la stabilité du génome en régulant la réplication et la réparation de l'ADN. Elles ont aussi des fonctions suppressives de tumeurs de type II ou « gatekeeper » puisqu'elles sont impliquées dans la régulation de la prolifération cellulaire de façon dépendante et indépendante de p53 et car elles contrôlent la transcription génique en participant au remodelage de la chromatine. L'objectif de ma thèse est de mieux comprendre l'implication de ING1, ING2 et ING3 dans les voies de suppression des tumeurs. Nos travaux montrent que ING1 est sumoylée sur la lysine 193 principalement par l'E3 SUMO ligase PIAS4, afin de réguler l'ancrage de ING1 sur le promoteur de gènes cibles pour réguler leur transcription. Nous avons aussi décrit pour la première fois l'implication de ING2 et de ING3 dans la réponse aux cassures double brin de l'ADN. Nous montrons que cette fonction est conservée entre ING2, ING3 et leur orthologues, respectivement, Pho23 et Yng2 chez la Levure Saccharomyces cerevisiae. ING2 contrôle l'accumulation de PIAS4 au niveau des sites de dommages et régule la sumoylation de l'E3 ubquitine ligase RNF168, afin de permettre la signalisation et la réparation des cassures double brin de l'ADN. ING3 est nécessaire à l'accumulation de 53BP1 et contrôle la réparation de ces dommages. Ces travaux contribuent donc à une meilleure connaissance du rôle des ING dans les voies de suppression des tumeurs. Ils permettent de mieux comprendre comment ING1 régule la transcription génique et décrivent une nouvelle fonction suppressive de tumeur de type I ou « caretaker » pour ING2 et ING3 dans le maintien de la stabilité du génome. / ING (Inhibitor of Growth) genes are tumor suppressor gene candidates conserved from Yeast to Humans. ING proteins have type I tumor suppressive functions or "caretaker" because they participate in the maintenance of genome stability by regulating DNA replication and repair processes. They have also tumor suppressive functions of type II or "gatekeeper" because they are involved in the regulation of cell proliferation in p53 dependent and independent manners. They also participate in the regulation of gene transcription by regulating chromatin remodeling. The aim of my thesis was to better understand how ING1, ING2 and ING3 are involved in tumor suppressive pathways. Our work shows that ING1 is sumoylated on lysine 193 mainly by the SUMO E3 ligase PIAS4 to regulate ING1 anchoring on target gene promoters to control gene transcription. We have also described the involvement of ING2 and ING3 in the DNA double strand breaks response. We show the conservation of this function between ING2, ING3 and their orthologs, respectively, Pho23 and Yng2 in Yeast Saccharomyces cerevisiae. ING2 controls the accumulation of PIAS4 at DNA damage sites and regulates the sumoylation of the E3 ubiquitin ligase RNF168, to regulate DNA double strand break signaling and repair. ING3 is necessary for the accumulation of 53BP1 and promotes DNA damage repair. This work contributes to a better understanding of the role of ING proteins in tumor suppression. It thus provides new insights of how ING1 regulates gene transcription and emphasizes a new tumor suppressive function of type I or "caretaker" for ING2 and ING3 in the genome stability maintenance.

Les estrogènes jouent un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement des tissus reproducteurs par leurs interactions avec les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ. Ces récepteurs nucléaires agissent comme facteurs de transcription et contrôlent l’expression des gènes de façon hormono-dépendante et indépendante grâce à leurs deux domaines d’activation (AF-1 et AF-2). Une dérégulation de leur activité transcriptionnelle est souvent à l’origine de pathologies telles que le cancer du sein, de l’endomètre et des ovaires. Alors que ERα est utilisé comme facteur pronostic pour l’utilisation d’agents thérapeutiques, l’importance de la valeur clinique de ERβ est encore controversée. Toutefois, des évidences récentes lui associent un pouvoir anti-tumorigénique en démontrant que sa présence favorise l’inhibition de la progression de ces cancers ainsi que l’efficacité des traitements. En combinaisons avec d’autres études, ces observations démontrent que bien que les deux isoformes partagent une certaine similitude d’action, les ERs sont en mesure d’exercer des fonctions distinctes. Ces différences sont fortement attribuables au faible degré d’homologie observé entre certains domaines structuraux des ERs, comme le domaine AF-1, ce qui fait en sorte que les différents sites de modifications post-traductionnelles (MPTs) présents sur les ERs sont très peu conservés entre les isoformes. Or, l’activité transcriptionnelle ligand-dépendante et indépendante des ERs est hautement régulée par les MPTs. Elles sont impliquées à tous les niveaux de l’activation des ERs incluant la liaison et la sensibilité au ligand, la localisation cellulaire, la dimérisation, l’interaction avec l’ADN, le recrutement de corégulateurs transcriptionnels, la stabilité et l’arrêt de la transcription. Ainsi, de par leur dissimilitude, les ERs seront différemment régulés par la signalisation cellulaire. Comme un débalancement de plusieurs voies de signalisation ont été associées à la progression de tumeurs ER-positives ainsi qu’au développement d’une résistance, une meilleure compréhension de l’impact des MPTs sur la régulation spécifique des ERs s’avère essentielle en vue de proposer et/ou développer des traitements adéquats pour les cancers gynécologiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre les rôles des MPTs sur l’activité transcriptionnelle de ERβ qui sont, contrairement à ERα, très peu connus. Nous démontrons une régulation dynamique de ERβ par la phosphorylation, l’ubiquitination et la sumoylation. De plus, toutes les MPTs nouvellement découvertes par mes recherches se situent dans l’AF-1 de ERβ et permettent de mieux comprendre le rôle capital joué par ce domaine dans la régulation de l’activité ligand-dépendante et indépendante du récepteur. Dans la première étude, nous observons qu’en réponse aux MAPK, l’AF-1 de ERβ est phosphorylé au niveau de sérines spécifiques et qu’elles jouent un rôle important dans la régulation de l’activité ligand-indépendante de ERβ par la voie ubiquitine-protéasome. En effet, la phosphorylation de ces sérines régule le cycle d’activation-dégradation de ERβ en modulant son ubiquitination, sa mobilité nucléaire et sa stabilité en favorisant le recrutement de l’ubiquitine ligase E6-AP. De plus, ce mécanisme d’action semble être derrière la régulation différentielle de l’activité de ERα et ERβ observée lors de l’inhibition du protéasome. Dans le second papier, nous démontrons que l’activité et la stabilité de ERβ en présence d’estrogène sont étroitement régulées par la sumoylation phosphorylation-dépendante de l’AF-1, processus hautement favorisé par l’action de la kinase GSK-3. La sumoylation de ERβ par SUMO-1 prévient la dégradation du récepteur en entrant en compétition avec l’ubiquitination au niveau du même site accepteur. De plus, contrairement à ERα, SUMO-1 réprime l’activité de ERβ en altérant son interaction avec l’ADN et l’expression de ses gènes cibles dans les cellules de cancers du sein. Également, ces recherches ont permis d’identifier un motif de sumoylation dépendant de la phosphorylation (pSuM) jusqu’à lors inconnu de la communauté scientifique, offrant ainsi un outil supplémentaire à la prédiction de nouveau substrat de la sumoylation. En plus de permettre une meilleure compréhension du rôle des signaux intracellulaires dans la régulation de l’activité transcriptionnelle de ERβ, nos résultats soulignent l’importance des MPTs dans l’induction des différences fonctionnelles observées entre ERα et ERβ et apportent des pistes supplémentaires à la compréhension de leurs rôles physiopathologiques respectifs. / Estrogens play a pivotal role in reproductive physiology through direct interaction with the estrogen receptors ERα and ERβ, which belong to the nuclear hormone receptor family of ligand-activated transcription factors. Harbouring two activation domains (AF-1 and AF-2), gene expression can be controlled by ERs either in a hormone-dependent and/or independent manner. Disruption of ER transcriptional regulation is associated with pathological events such as breast and endometrial cancers. While ERα is considered a strong predictive factor in endocrine therapy of reproductive cancers, the clinical value of ERβ is still debated, although greater expression of ERβ has been associated with a favourable outcome since recent evidence has associated ERβ with anti-tumorigenic properties and a better response to anti-estrogenic compounds. Along with others studies, those individual outcomes indicate that even though the two receptors can exert similar roles by sharing resemblances in terms of structure and general response to hormone, they can also carry out distinct functions. These variations can be attributed to the fact that most of the structural domains shared by ERs exhibit a low level of homology, especially at the AF-1 domain. Consequently, the majority of the post-translational modifications sites (PTMs) on ERs are not shared between both isoforms. In fact, ligand-induced and ligand-independent activities of ERs are critically influenced by PTMs. PTMs controls the multiple aspects of ER-dependent activation by modulating ERs ligand binding, specificity, cellular localization, dimerization, interaction with their cognate DNA response element, combinatory recruitment of transcriptional coregulators, stability and transcriptional arrest. Hence, by their discrepancies, ERs will be differently influenced by the cellular environment. Furthermore, as the deregulation of different signalling pathway in cancers is associated with ER-dependant tumour progression and in the acquisition of a therapeutic resistant phenotype, it is crucial to understand the how PTMs affect ERs transactivation in order to eventually propose and/or develop adequate treatment. The results presented in this thesis were carried out with the objective of gaining a better understanding of PTM’s roles on ERβ transcriptional control which, as opposed to ERα, remain unclear. We demonstrate here a dynamic regulation of ERβ by phosphorylation, ubiquitination and sumoylation. Furthermore, as all the newly identified PTM are located within de AF-1 domain of ERβ, our results highlight the key role of this domain in the regulation of ligand-dependent and independent transcriptional properties of this receptor. The first study shows that in response to MAPK, specific serine residues in the AF-1 of ERβ are phosphorylated and play an important role in the regulation of ERβ ligand-independent activity by the ubiquitin-proteasome pathway. In fact, the activation-degradation cycle of ERβ induced by MAPK is regulated upon phosphorylation of these serines coordinating ERβ ubiquitination, subnuclear mobility and stability by promoting the recruitment of the ubiquitin ligase E6-AP. Moreover, this molecular process plays part in the differential regulation of ERα and ERβ activity upon proteasome inhibition. In the second paper, we demonstrate that ERβ activity and stability in presence of estrogen is closely regulated by the phosphorylation-dependent sumoylation of the AF-1 domain, amplified by GSK-3 action. SUMO-1 attachment prevents ERβ degradation by competing with ubiquitin at the same acceptor site and dictates ERβ transcriptional inhibition, as opposed to ERα, by altering estrogen-responsive target promoter occupancy and gene expression in breast cancer cells. Furthermore, these findings uncover a novel phosphorylated sumoylation motif (pSuM) and offer a valuable tool to predict novel SUMO substrates under protein kinase regulation. In combination to our better understanding on how intracellular signals controls ERβ transcriptional activity, our results highlight the significant role of PTMs in ERs isoforms discrepancies and allows supplementary comprehension of their respective physiopathologicals roles.

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2. / Cell adaption to the external environment relies on proper signal transduction that is orchestrated by a plethora of molecular events. Among these molecular events, post-translational modifications (PTMs) of proteins help to spatiotemporally integrate, translate and dispatch signals so cells can respond to external stimuli. Among these post-translational modifications, the Ubiquitin-like proteins (Ublps) play a major role in almost all signaling pathways. This thesis reports functional and structural studies of the covalent and non-covalent interactions between the Small Ubiquitin-related MOdifier (SUMO), a member of the Ublps family, and three scaffold proteins, TIF1beta, the corepressor of KRAB-Multifinger proteins, PIAS1, a SUMO E3 ligase and the Promyleocytic leukemia (PML) tumor suppressor protein. The first study reports the identification and the biochemical characterization of TIF1betaSUMOylation sites. We mapped six SUMOylation sites in TIF1beta and determined that the covalent modification of these sites by SUMO is essential for its transcriptional repression activity. In addition, we present evidence indicating that SUMOylation of TIF1beta requires not only its ability to homo-oligomerize, but is positively regulated through its interaction with KRAB domains found in zinc-finger proteins. Based on this finding, we postulate that these KRAB domain containing multifinger proteins not only recruit TIF1beta co-repressor to target genes but also increase its repressive activity through enhancement of its SUMOylation. The work in the second study reveals that in addition to suppressing transcription as a covalent PTM, SUMO plays an important role in repression as a non-covalent protein-protein interaction partner. We determine that SUMO can form a repressive complex by simultaneously forming non-covalent interactions with UBC9 and PIAS1, the E2 and E3 enzymes in the SUMOylation system. In addition, we report that the formation of the PIAS1:SUMO:UBC9 ternary complex is modulated by the phosphorylation of serine residues juxtaposed to a SUMO-Interacting Motif (SIM) found in PIAS1. Thus SUMO acts as a specific adaptor that stabilizes UBC9 E2: PIAS1 E3 interactions. Based on this finding, we propose that the E2 and E3 enzymes from other Ublps systems exploit similar mechanisms as part of their function Finally, our third study explores the regulation of SUMO non-covalent interactions by phosphorylation. Using a combination of in vivo and in vitro studies we demonstrate that the interaction between SUMO1 and PML is governed by CK2-dependent phosphorylation of four serine residues in PML. Crystal structures of PML-SIM:SUMO1 complexes reveal that these PML phospho-serine specifically contact SUMO1 basic patch residues. Since CK2 kinase is induced by stress activated kinases pathways, this indicates that SUMO non-covalent interactions are regulated by cellular stress. Based on this finding, we postulated that analogous events influence other CK2-targeted SIM-containing proteins. In summary, this study reveals that in addition to its well described function as PTM, SUMO can function as an adaptor enabling specific proteins interactions such as functional E3:E2 enzymes pairs.

The main topic of my PhD studies was to investigate the role of sumoylation in the function of Ikaros transcription factor, that regulates the lymphocyte differentiation and function. Sumoylation is a posttranslational modification that can change the properties and regulate the function of a given protein. Up to now, one study addressed the question of how sumoylationmodulates Ikaros function. It shows that Ikaros is sumoylated in total primary thymocytes, and that this dynamic event modulates Ikaros' repressive function. It also describes two consensus sumoylation sites on Ikaros (K58 and K240), the sumoylation of which leads to loss of Ikaros repressive function in ectopic reporter gene assays. The final conclusion of the study is that sumoylation does not alter the nuclear localization of Ikaros but acts as a mechanism disrupting its participation in both histone deacetylase (HDAC) dependent and independent repression. My work shows the presence of additional sumoylation site on Ikaros and demonstrates that sumoylation does not significantly alter its interaction with the nucleosome remodelling and histone deacetylase (NURD) complex in T-cell lines. The functional analysis of sumo-deficientmutants indicates a complex role of this modification in regulating Ikaros' transcriptional properties. The identification of this new sumoylation site contributes to a better understanding of Ikaros' dual repressive - activating function and suggests the existence of conditional Ikaros' interacting partners. Moreover, the different Ikaros splicing isoforms would have differentsumoylation profiles, which would complete the knowledge of their functional diversity.

Dans le système nerveux central, la dopamine joue un rôle crucial dans de nombreuses fonctions physiologiques telles que : l’apprentissage, le mouvement volontaire, la motivation, la cognition et la production hormonale. Il a été aussi démontré que le système de signalisation dopaminergique est altéré dans plusieurs maladies neurologiques et psychiatriques comme la maladie de Parkinson et la schizophrénie. Des études, effectuées dans le laboratoire du Dr.Daniel Lévesque (laboratoire d’accueil), ont montré que les récepteurs nucléaires Nur77 (NR4A1, NGFI-B) et RXRγ (retinoid X receptors γ) sont impliqués dans la régulation des effets de la dopamine dans le système nerveux central. De plus, ces données suggèrent que le complexe Nur77 et RXR joueraient un rôle crucial dans l’effet des médicaments antipsychotiques et antiparkinsoniens. Toutefois, très peu de médicaments ciblant Nur77 ont été identifiés à ce jour et les médicaments agissant sur RXRγ restent mal caractérisés. En outre, les analyses actuellement disponibles ne peuvent pas résumer la complexité des activités des NRs et génèrent des mesures indirectes des activités des drogues. Afin de mieux comprendre comment est régulée l’interaction Nur77/RXRγ dans ces processus, mon projet a été de mettre au point un essai BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) et PCA-BRET (Protein Complementation Assay-BRET) basé sur le recrutement d'un motif mimant un co-activateur fusionné avec la YFP. Nos différents essais ont été validés par courbes dose-réponse en utilisant différents composés RXR . Les EC50 (concentration efficace médiane, qui permet de mesurer l'efficacité d'un composé) obtenues étaient très semblables aux valeurs précédemment rapportées dans la littérature. Nous avons aussi pu identifier un composé le SR11237 (BMS649) qui semble posséder une sélectivité pour le complexe Nur77/RXRγ par rapport aux complexes Nurr1/RXRγ et RXRγ /RXRγ. Nos résultats indiquent que ces essais de BRET peuvent être utilisés pour évaluer la sélectivité de nouveaux composés pour les complexes Nur77/RXRγ, Nurr1/RXRγ et RXRγ /RXRγ. Un autre aspect de mon projet de doctorat a été de mettre en évidence par BRET l’importance de la SUMOylation dans la régulation de l'activité de Nur77 dans sa forme monomèrique, homodimèrique et hétérodimèrique. Nous avons ainsi identifié que Nur77 recrute principalement SUMO2 sur sa lysine 577. Il est intéressant de noté que le recrutement de la SUMO2 à Nur77 est potentialisé en présence de la SUMO E3 Ligase PIASγ. Aussi, la perte de la SUMOylation sur la lysine 577 entraîne l'incapacité de Nur77 de recruter divers motifs de co-activation mais pas pour ses formes homo- et hétérodimèrique. Cependant, la présence de PIASγ ne potentialise pas le recrutement du co-activateur, suggérant que cette SUMO E3 Ligase est seulement impliqué dans le processus de recrutement de la SUMO mais pas dans celui du co-activateur. Nous avons ainsi déterminé une nouvelle modification post-traductionnelle sur Nur77 régulant spécifiquement son activité monomérique Ces projets pourraient donc apporter de nouvelles données cruciales pour l’amélioration du traitement de la maladie de Parkinson ou de la schizophrénie, ainsi que d'obtenir une meilleure compréhension sur les mécanismes permettant la régulation de la fonction de Nur77 / In the central nervous system, dopamine plays a critical role in many physiological functions such as learning, voluntary movement, motivation, cognition and hormone production. It was also shown that the dopamine signaling system is altered in many neurological and psychiatric disorders like Parkinson's disease and schizophrenia. Studies conducted in the laboratory of Dr. Daniel Lévesque (host laboratory) have shown that nuclear receptors Nur77 (NR4A1, NGFI-B) and RXRγ (retinoid X receptor γ isoform) are involved in the regulation of dopamine effects. These data suggest that the Nur77/RXR complex plays a crucial role in the effect of antipsychotic and anti-parkinsonian drugs. However, very few drugs targeting Nur77 have been identified to date and drugs acting at RXRγ remain poorly characterized. Furthermore, currently available tests cannot recapitulate the complexity of nuclear receptor activities and generate indirect measures of drug activities. To better understand Nur77/RXRγ complex activity we developed a new and original Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET)-luciferase Protein Complementation Assay (PCA) based on the recruitment of a co-activator motif fused with YFP. The assays have been validated by dose-response curves using different RXR compounds. EC50 obtained were very similar to the values previously reported in the literature. We were also able to identify a compound, SR11237 (BMS649), which appears to have specificity for the complex Nur77/RXRγ compared to Nurr1/RXRγ and RXRγ/RXRγ. Our results indicate that these BRET assays can be used to evaluate the selectivity of compounds at Nur77/RXRγ, Nurr1/RXRγ or RXRγ/RXRγ complexes. Another aspect of my PhD project was to better understand how Nur77 activity is regulated by post-translational modifications. We were able to highlight the importance of Nur77 SUMOylation in the activity of monomeric, homodimer and heterodimer forms of Nur77 using various BRET assays. We identified that Nur77 preferentially recruits SUMO2 mainly on its lysine 577 residue. It is interesting to note that SUMO2 recruitment by Nur77 is potentiated in the presence of SUMO E3 ligase PIAS4 (PIASγ). Also, the loss of SUMOylation on lysine 577 strongly reduced co-activator motif recruitment by monomeric form of Nur77, but not for homo- and hetero-dimer complexes. However, PIAS4 by itself does not potentiate co-activator recruitment, suggesting that this SUMO E3 ligase is only involved in the recruitment process of SUMO, but not in the co-activator recruitment. Thus, we identified a new post-translational modification on Nur77 that specifically regulates its monomeric activity. These results provide critical new data that will help to identify new compounds targeting selective nuclear receptor complexes (Nur77/RXR) that may improve the treatment of Parkinson's disease and schizophrenia, as well as to get a better understanding of the mechanisms regulating the activity of Nur77.

Les gènes de la famille ING : « INhibitor of Growth » (ING1-5) jouent un rôle crucial dans l'inhibition de la prolifération cellulaire, en régulant notamment le cycle cellulaire, l'apoptose et la sénescence. De plus, plusieurs études (portant majoritairement sur ING1) montrent que ces gènes sont fréquemment perdus dans de nombreux cancers. Ils pourraient donc être impliqués dans l'émergence et le développement de tumeurs. Ainsi, l'objectif de mon projet de thèse était d'étudier le gène ING2, afin d'évaluer son intérêt en cancérogénèse. Nous avons tout d'abord montré que l'expression d'ING2 (ARN et protéique) est perdue dans plus de la moitié des cancers bronchiques non à petites cellules, confortant ainsi un rôle d'ING2 comme gène suppresseur de tumeurs. Par ailleurs, nous avons montré que l'inhibition de l'expression d'ING2 conduit à des défauts de réplication et à une forte augmentation de l'instabilité génomique, mettant ainsi en évidence pour la première fois qu'ING2 est un gène suppresseur de tumeurs de type « caretaker ». Ceci permet aussi pour la première fois d'expliquer comment l'inactivation des ING, observée dans les tumeurs, pourrait contribuer à la cancérogénèse. Enfin, nous avons mis en évidence le premier mécanisme de régulation post-traductionnelle d'ING2. En effet, ING2 peut être sumoylée, et cette sumoylation est nécessaire pour son association avec le complexe de régulation Sin3A/HDAC afin de cibler ce dernier au niveau des promoteurs de gènes pour réguler leur expression. Ces travaux ont donc contribué à démontrer l'intérêt d'ING2 en cancérogénèse et à mieux comprendre ses fonctions suppressives de tumeurs. De plus, ils ont permis d'ouvrir plusieurs voies d'investigation sur les fonctions et les mécanismes de régulation des protéines ING.

HIC1 (Hypermethylated in Cancer 1) est un répresseur transcriptionnel codé par un gène suppresseur de tumeurs localisé en 17p13.3. Cette région est perdue ou inactivée par hyperméthylation dans de nombreux cancers humains ; et les souris hétérozygotes Hic+/- développent des tumeurs spontanées avec une incidence beaucoup plus élevée que les souris contrôle.<br />Cette protéine est impliquée dans des boucles de régulation complexes impliquant p53, la désacétylase de classe III SIRT1 ainsi qu'une des protéines de contrôle du cycle cellulaire, E2F1.<br />En réponse aux dommages à l'ADN, HIC1 réprime SIRT1, ce qui a pour conséquence l'augmentation du taux de p53 acétylée active. Ceci conduit à l'apoptose et à l'arrêt du cycle cellulaire. HIC1 étant lui-même activé par p53, cette boucle peut s'auto entretenir. Cette voie est également régulée par le métabolisme puisque la répression de SIRT1 par HIC1 est due, notamment, au corépresseur CtBP, lui-même régulé par la balance NADH/NAD+.<br />D'autre part, et de manière intrinsèquement liée, cette même réponse aux dommages à l'ADN induit l'expression de HIC1 par E2F1. Ceci mène à une seconde boucle de régulation puisque HIC1 réprime E2F1, notamment lors de la phase de quiescence G0.<br />Cette présente étude porte sur les différents mécanismes de répression transcriptionnelle mis en place par HIC1, sur ses gènes cibles déjà connus et nouvellement identifiés.<br />Nous avons pu identifier un nouveau corépresseur de HIC1, MTA1, un membre du complexe NuRD, dont le recrutement est contrôlé par la compétition SUMOylation/Acétylation de la Lysine 314 de HIC1. De manière cohérente avec le rôle de HIC1 dans le contrôle de la croissance, le complexe HIC1-MTA1 est lié au promoteur de nouveaux gènes cibles, p57KIP2 et Cycline D1, dans des cellules quiescentes, ainsi qu'à un site nouvellement identifié au sein du promoteur de SIRT1.<br />Tandis que le complexe NuRD apparaît réguler une majorité des gènes cibles de HIC1 connus à ce jour, ce n'est pas le cas pour CtBP, qui régulerait SIRT1 et un gène identifié récemment, CXCR7.<br />De plus, HIC1 interagit avec le complexe SWI/SNF composé de l'ATPase BRG1 et de la sous-unité appartenant aux complexes répresseurs ARID1A, et ce pour réprimer E2F1, mais pas SIRT1, au sein de cellules primaires quiescentes.<br />Ces résultats suggèrent la mise en place par HIC1 de mécanismes de répression transcriptionnelle complexes et finement régulés en fonction du type de gènes cibles et de l'état de la cellule.