La protéine GPR50, qui fait partie de la famille des récepteurs de la mélatonine, est classée, avec une centaine d’autres protéines à sept domaines transmembranaires (7TM), dans la catégorie des récepteurs couplés aux protéines G hétérotrimériques (RCPG) orphelins, c’est-à-dire pour lesquels aucun ligand n’a pu être identifié. De plus en plus d’études montrent que les 7TM peuvent avoir des fonctions indépendantes d’un ligand. C’est le cas de GPR50 qui inhibe les fonctions du récepteur de la mélatonine MT1 en interagissant directement avec lui. Nous avons cherché à identifier d’autres partenaires associés à GPR50 en appliquant la technique de purification par affinité en tandem et avons mis en évidence son interaction avec un récepteur du facteur de croissance Transforming Growth Factor ß (TGFβ), le récepteur de type I (TβRI).Nous décrivons ici la formation d’un complexe entre GPR50 et le récepteur TβRI au niveau de la membrane plasmique, avec pour conséquence l’induction d’une activité constitutive du récepteur et des voies de signalisation en aval en l’absence de TGFβ, mais également en l’absence du récepteur TßRII qui est habituellement indispensable pour l’activation de TβRI par phosphorylation. Cette activité constitutive se traduit par la phosphorylation des protéines Smad2 et Smad3, leur intégration dans un complexe avec Smad4, la translocation du complexe dans le noyau et finalement l’activation de la transcription de leurs gènes-cibles. Nous avons décrypté les mécanismes moléculaires de cette activation constitutive en montrant que GPR50 entre en compétition, pour l’interaction avec TβRI, avec le régulateur négatif FKBP12, une protéine inhibitrice de l’activité basale du récepteur en l’absence de ligand. Nous avons identifié dans la queue intracytoplasmique de GPR50 un motif répétitif similaire à la séquence de FKBP12 impliquée dans son interaction avec TβRI , motif qui constitue la base moléculaire de cette compétition.Nous avons étudié les conséquences fonctionnelles de cette activation en surexprimant GPR50 de manière stable dans la lignée cellulaire MDA-MB-231, dérivée d’un cancer de sein. Nous avons observé dans ces cellules des effets pro-migratoires et anti-prolifératifs similaires à ceux causés par l’administration de TGFβ.En conclusion, ce travail décrit un nouveau mode d’activation du récepteur TβRI en l’absence de ligand, mais identifie également une nouvelle fonction indépendante d’un ligand pour le RCPG orphelin GPR50. En perspective de ce travail, nous allons essayer d’identifier des conditions biologiques où cette interaction pourrait prendre place afin de confirmer ces résultats dans un contexte plus physiologique. / During the last years, it became more and more accepted, that orphan G Protein coupled receptors (GPCRs) with a transmembrane spanning heptahelical core (7TM) can have ligand-independent functions. One of those 100 orphan GPCRs is GPR50, a 7TM protein with a long cytosolic domain. Recently, studies revealed ligand-independent functions for GPR50, where it has the capacity to modulate the activity of other proteins upon complex formation. By applying a tandem affinity purification approach we sought to identify further putative interacting partners of GPR50. One of the identified binding partners is the transforming growth factor β (TGFβ) receptor type I (TβRI).The TGFβ-dependent signal transduction pathway of serine/threonine kinases is a pathway with direct signal flow from ligand over the receptor to its substrates, the Smads which translocate into nucleus where they bind DNA and regulate gene expression. An important question concerns the generation of specificity and fine-tuning of TGFβ-dependent signaling. Throughout the years, an important number of proteins which regulate the activity of the TGFβ signal transduction pathway in a positive or negative manner have been identified. Most of them act in a cell-context-dependent manner, allowing the regulation of TGFβ signaling adapted to the particular circumstances.We report here the complex formation of GPR50 and TβRI on the plasma membrane. The consequence of this interaction is the GPR50-mediated induction of a constitutive activation of the TβRI and its downstream signaling in a TGFβ ligand-independent manner. This has been monitored by Smad2/3 phosphorylation, Smad2/3-Smad4 complex formation and their subsequent translocation into the nucleus, where they activate Smad-dependent gene expression. In order to decipher the molecular mechanism that allows this activation, we showed that GPR50 competes with the negative regulator, that prevents leaky TGFβ signaling, the gatekeeping molecule FKBP12, for binding to the TβRI. We identified a motif in FKBP12 involved in the interaction with TβRI with similarities to a motif in GPR50, providing a molecular basis for the replacement of FKBP12 by GPR50 in the TβRI complex. We showed that GPR50 is capable of activating the TβRI even in the absence of the TβRII, which normally is required for activating the TβRI by phosphorylation. This reveals a previously unknown mode of activation of the TβRI in absence of the TGFβ ligand and TβRII. In order to identify the functional consequences of this crosstalk, we studied migration and growth of MDA-MB-231 breast cancer cells stably overexpressing GPR50. In these cells, TGFβ-like pro-migratory and anti-proliferative effects have been observed.Future research will help to identify tissues and biological circumstances, where this crosstalk could take place for putting this novel mode of regulation of TGFβ signaling pathway into a context-dependent-manner. Additionally our work established another ligand-independent task for the orphan 7TM protein GPR50, consolidating its function as binding partner and activity modulator.

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L’infection chronique par le virus de l’hépatite C (VHC) conduit au développement de pathologies hépatiques, telles que la fibrose dont le terme évolutif est la cirrhose sur laquelle peut se développer un carcinome hépatocellulaire. Les observations cliniques indiquent que le VHC interfère avec la voie de signalisation du Transforming Growth Factor β (TGFβ). Entre autres fonctions, cette cytokine induit la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), ce qui favorise la migration cellulaire et l'invasion tumorale. Le but de cette thèse est d'analyser l'impact des protéines non structurales du VHC sur la voie de signalisation du TGFβ.Nous avons montré que le réplicon subgénomique du VHC induit une augmentation de la signalisation du TGFβ résultant en une plus forte expression de gènes associés à l’EMT et induisant un phénotype d’EMT. L’expression de la protéase virale NS3-4A seule, augmente et prolonge la phosphorylation de Smad2/3 en aval du récepteur du TGFβ et renforce l’expression de certains gènes cibles du TGFβ. L’analyse des interactions entre les protéines du VHC et les protéines de la voie du TGFβ a permis d’identifier l’interaction entre NS3-4A et la protéine Smurf2. Le réplicon subgénomique ou la protéase NS3-4A ont des rôles antagonistes à la protéine Smurf2 sur la voie de signalisation du TGFβ. L’analyse globale des gènes régulés par le TGFβ dans les cellules exprimant le réplicon subgénomique a permis d’identifier, que dans ces cellules, le TGFβ induit une réponse pro-tumorale.Ces résultats montrent que NS3-4A induit une plus forte réponse des cellules au TGFβ, en inhibant la fonction de Smurf2 dans le rétrocontrôle négatif de la voie du TGFβ. Ce nouveau mécanisme d’interférence du VHC avec la voie du TGFβ pourrait contribuer à l’EMT des cellules hépatocytaires infectées favorisant ainsi la cancérisation. Ce travail apporte de nouvelles pistes dans la compréhension des mécanismes associés à la cancérisation chez les patients chroniquement infectés par le VHC. / Chronic infection by hepatitis C virus (HCV) leads to the development of hepatic diseases like fibrosis which evolves into cirrhosis on which can develop hepatocellular carcinoma. Clinical observations indicate that HCV interferes with the TGFβ signaling pathway. Among other functions this cytokine induces epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) promoting cell migration and tumor invasion. The aim of this study is to analyze the impact of HCV non structural proteins on TGFβ signaling pathway. We have demonstrated that the HCV subgenomic replicon induces an enhancement of the TGFβ signaling pathway resulting in a strong expression of EMT associated genes and inducing EMT phenotype. The expression of the NS3-4A viral protein alone enhances and stabilizes Smad2/3 phosphorylation downstream TGFβ receptor and increases the expression of some TGFβ target genes. The analysis of interactions between HCV proteins and proteins of the TGFβ signaling pathway has shown the interaction of NS3-4A with Smurf2 protein. HCV subgenomic replicon and NS3-4A have antagonistic roles to Smurf2 on TGFβ signaling pathway. The global analysis of genes regulated by TGFβ in cells expressing HCV subgenomic replicon indicates that in these cells TGFβ induces a pro-tumor answer.These results show that NS3-4A enhances TGFβ answer by inhibiting Smurf2 functions in the negative feedback loop of the TGFβ pathway. This new mechanism of HCV interference with the TGFβ pathway can contribute to EMT in infected hepatocytes thus promoting carcinogenesis. This work provides new leads to understand the mechanisms associated to carcinogenesis in HCV chronically infected patients.

Der transformierende Wachstumsfaktor-β (TGFβ) übt verschiedene Wirkungen auf die Regulierung zahlreicher biologischer Prozesse aus. Insbesondere die zytostatische Wirkung von TGFβ ist wichtig, um die Homöostase in Geweben aufrechtzuerhalten und proliferative Störungen, wie in Krebs, zu verhindern. Frühere Studien zur Regulation des Zellzyklus mit TGFβ wurden auf Populationsebene, oft durch physikalische oder chemische Synchronisation durchgeführt. Dabei wird die Heterogenität auf zellulärer Ebene vernachlässigt und die Anfälligkeit gegen potenzielle Artefakte erhöht. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen TGFβ-Signale entschlüsseln und diese in die Entscheidung zur Zellproliferation integrieren, wurden sowohl die Dynamik der TGFβ-Signale als auch die Zellzyklusprogression in asynchronen Zellen durch „Live Cell Imaging“ quantifiziert. In Kombination von experimentellen und theoretischen Studien wurde gezeigt, dass TGFβ einen „Alles-oder-Nichts-G1- Stillstand“ auslöst, der sowohl dosisabhängig als auch phasenabhängig ist. Wenn die Zellen während der S / G2 / M-Phase TGFβ ausgesetzt werden, erfahren sie in der darauf folgenden G1-Phase einen ererbten, verzögerten Stillstand. Zusätzlich sind die Zellen nach einem TGFβ-Stimulationsimpuls für weitere TGFβ-Behandlungen unempfindlich. In Anbetracht der Bedeutung von Einzelzellinformationen und den Herausforderungen bei der automatischen Zellverfolgung wurde ein Rahmenkonzept von „Population to Single Cell“ (P2S-Framework) erarbeitet, um von der Populationsdynamik auf die Abstammung einzelner Zellen zu schließen. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einblicke in Strategien zur Kontrolle der Zellproliferation durch Manipulation der TGFβ-Signalgebung. / The transforming growth factor-β (TGFβ) exerts diverse effects on regulating numerous biological processes. Especially, the cytostatic effect of TGFβ is important for maintaining tissue homeostasis and preventing proliferative disorders, like cancer. Previous studies on the regulation of cell cycle by TGFβ were conducted at the population level, and often through physical or chemical synchronization, which neglected cellular heterogeneity and might introduce artifacts. To understand how individual cells decode and integrate TGFβ signals into cell proliferation decisions, we quantitatively characterized both TGFβ signaling dynamics and cell cycle progression in asynchronous cells by live cell imaging. Combining experimental and theoretical studies, we demonstrated that TGFβ triggers all-or-none G1 arrest, which is both dose-dependent and phase- dependent. When exposed to TGFβ during S/G2/M phase, cells undergo an inherited, delayed arrest at the next G1 phase. In addition, after one pulse of TGFβ stimulation, cells are refractory to further TGFβ treatments. Considering the importance of single cell information and challenges in automatic cell tracking, we proposed a Population to Single cell framework (P2S framework) to infer single- cell lineages from population dynamics. Taken together, this work provides new insight into strategies to control cell proliferation by manipulating TGFβ signaling.