Les thrombocytoses correspondent à une élévation du taux de plaquettes au-delà de 450x109/L et sont soit réactionnelles dans la plupart des cas, soit primitives quand il existe une altération génétique sur la voie de la production plaquettaire. Dans ce dernier cas il est habituel de distinguer les thrombocytoses sporadiques des thrombocytoses familiales, qui partagent néanmoins un mécanisme physiopathologique commun à l’image de la mutation MPLS505N résultant en une activation constitutive du récepteur. En effet les thrombocytémies essentielles (TE), les plus fréquentes, présentent une mutation activatrice dans 85% des cas soit de JAK2, de CALR ou MPL. Les thrombocytoses héréditaires quant à elles peuvent être la conséquence de mutations de MPL, de JAK2 ou de la TPO. Nous avons étudié dans un premier temps la mutation MPLP106L décrite chez une famille saoudienne mais dont le mécanisme physiopathologique aboutissant à la thrombocytose était mal compris. En effet les sujets homozygotes présentent une thrombocytose importante et de manière paradoxale un taux de TPO élevé. Nous avons pu montrer qu’il s’agit d’un récepteur fonctionnel sans autonomie de croissance mais qu’il existe un défaut de trafic cellulaire, MPL restant bloqué dans le réticulum endoplasmique et étant adressé faiblement à la membrane. Néanmoins l’expression membranaire de MPL est moins diminuée à la surface des cellules immatures par rapport aux cellules matures expliquant un découplage entre la fonction de prolifération (mégacaryocytes) et de clearance de la TPO (plaquettes). Nous avons également étudié les TE triples négatives pouvant correspondre potentiellement à des mutations de MPL liées à un défaut de trafic cellulaire comme pour MPLP106L. Grâce à un séquençage à haut débit de l’exome entier, nous avons pu mettre en évidence de nouvelles mutations récurrentes comme MPLS204P ou Y591N qui sont des mutations faiblement activatrices ne donnant pas de croissance autonome mais n’altérant pas le trafic cellulaire et nécessitant la présence éventuellement d’autres mutations pour déclencher une thrombocytose. / Thrombocytosis is defined as a platelet count exceeding 450x109/L and generally either is a reactive process or is caused by genetic alteration on the way of platelet production. In the latter case sporadic thrombocytosis are usually distinguished from familial thrombocytosis, the boundaries between these two cases becoming less sharp since the mutation first described in familial thrombocytosis (MPLS505N) is also found in sporadic cases. Essential thrombocythemia (ET), the most frequent, sporadic thrombocytosis have an activating mutation in 85% of cases in either JAK2, MPL or CALR genes. Hereditary thrombocytosis may be the result of mutations of MPL, JAK2 or TPO. We studied initially MPLP106L already described in a Saudi family in which the pathophysiologic mechanism leading to thrombocytosis was misunderstood. Indeed homozygous patients exhibit significant thrombocytosis and paradoxically high TPO plasma level. We have shown that MPLP106L is a functional receptor without spontaneous growth but with a trafficking defect and a low cell surface expression. Nevertheless membrane expression of MPL is less reduced on immature cell surface compared to mature cells, explaining an uncoupling between proliferation (megakaryocyte precursors) and TPO clearance (platelets) functions. We also studied triple negative ET, to find potentially MPL mutations linked to a trafficking defect like MPLP106L. Thanks to Whole Exome Sequencing we were able to decipher new MPL mutations as MPLS204P or Y591N, which are weakly activating mutations without autonomous growth and the absence of trafficking defect and requiring the presence of other mutations in most cases to trigger thrombocytosis.

La macroautophagie est un processus catabolique, situé au carrefour entre l’homéostasie et le métabolisme cellulaire. Dans le système immunitaire, elle joue des rôles spécialisés, en contribuant notamment à la régulation de l’inflammation et la présentation antigènique. En utilisant deux modèles murins, nous avons pu démontrer que la macroautophagy est nécessaire à la lignée lymphocytaire B et contribue à l’élaboration d’une réponse humorale optimale. En effet, la macroautophagie contribue à la survie des cellules sécrétrices d’antigènes, notamment la population plasmocytaire, ainsi que des cellules à longue durée de vie, telles que les lymphocytes B mémoire. Nous avons également démontré qu’une forme d’autophagie non-canonique était nécessaire pour la présentation efficace d’antigènes particulaires reconnus par le récepteur des lymphocytes B. Dans ce contexte, la machinerie macroautophagique contribue à la polarisation du cytosquelette des lymphocytes B, afin de former une synapse immunologique, nécessaire au chargement efficace du complexe majeur d’histocompatibilité de classe II, et ainsi, à la présentation antigènique. A l’aide d’un troisième modèle de souris transgénique, nous avons caractérisé un rôle jusqu’alors inconnu de la macroautophagie dans le maintient de l’homéostasie des cellules de Langerhans. L’inhibition de la macroautophagie altère la survie de ces cellules, en les exposant à potentiel stress du réticulum endoplasmique, potentiellement non compensé. En somme, nous avons démontré que la macroautophagie était un acteur majeur au sein des cellules présentatrices d’antigènes. / Macroautophagy is a catabolic process at the crossroad between homeostasis and metabolism. In the immune system it also possesses specialized roles such as inflammation regulation and antigen presentation. Here we demonstrated in two mice models that macroautophagy is integral to B cell lineage for proper humoral responses. Indeed it insures the survival of secreting cells such as plasma cells and long living cells such as memory B cells. We also report that non-canonical autophagy is also needed for an efficient presentation of particulate antigen recognized by the B cell receptor. In this context it drives B cell cytoskeleton polarization to form an immune synapse necessary for the efficient loading of class two major histocompatibility complexes and the subsequent antigen presentation. Using a third mice model we unveiled a yet uncharacterized function of macroautophagy in Langerhans cells, a subset of epidermal dendritic cells, homeostasis. Macroautophagy inhibition impairs their survival by exposing them to a potentially uncompensated endoplasmic reticulum stress response. Altogether we demonstrated that macroautophagy is a major actor in several types of antigen presenting cells.

La capacité des lectines à reconnaître spécifiquement des glycoconjugués à la surface de cellules en font des outils de diagnostic biomédical pour les pathologies associées à des changements de glycosylation (inflammation, du cancer ...). De par leur interaction avec les glycosphingolipides, ces protéines peuvent aussi être utilisées pour étudier le trafic membranaire. Toutefois, un nombre réduit de lectines sont actuellement disponibles, limitant leur utilisation dans les biotechnologies et la recherche. Le but de ma thèse est d'une part de concevoir des néo-lectines de valence et topologie contrôlées pour comprendre l'effet de la multivalence sur le mécanisme d'endocytose, et d'autre part de concevoir des lectines de spécificité modulable afin de les utiliser dans la reconnaissance spécifique des cellules tumorales.RSL est une lectine à fucose de la bactérie Ralstonia solanacearum qui a une structure en β-propeller formée par l'association de trois monomères présentant deux sites de liaison très similaires. Cette protéine trimérique et hexavalente a été choisie comme structure de base pour la conception de néolectines. Des RSLs trivalentes ont été produites par mutation d'un acide aminé essentiel pour la stabilisation du fucose. Leur caractérisation a démontré qu'ils avaient perdu la capacité d'invaginer la membrane plasmique. Une protéine de même structure que RSL mais monomérique a été ingénierée, puis une librairie de plus de 13 mutants de valence présentant différentes topologies a été créée. L'analyse de tous les mutants a permis de démontrer que la formation de tubules dans les membranes dépend plus de la distance entre les sites que du nombre de sites.Nous avons ensuite mis au point un protocole de bio-informatique afin de prédire l'orientation et la conformation d'oligosaccharides fucosylés dans les sites de fixation de plusieurs lectines à fucose. Les affinités relatives ont pu être calculées avec une bonne corrélation avec les valeurs expérimentales. La modélisation et la structure cristallographique des complexes entre RSL et les oligosaccharides Lewis X et Sialyl Lewis X indiquent un changement conformationnel du glycanne très inhabituel lors de l'interaction, donnant ainsi des pistes pour la conception de mutants de plus haute spécificité. / The ability of lectins to specifically recognize glycoconjugates on cell surface makes them excellent biomedical diagnostics tools for diseases associated with glycosylation changes (e.g inflammation, cancer, etc.). Furthermore, because of their interaction with glycosphingolipids, lectins may also be used to study membrane trafficking. However, only small number of lectins are currently available, limiting their use in biotechnology and research. The aim of my thesis was first to develop neolectins with controlled valency and topology to understand the effect of multivalency on the endocytosis mechanism, and second to design lectins with tuned specificity for the recognition of tumor cells.RSL is a fucose binding lectin from the bacterium Ralstonia solanacearum which has a β-propeller structure that is formed by the association of three monomers each having two very similar binding sites. This trimeric and hexavalent protein was chosen as the scaffold structure for the design of neolectins. Trivalent RSLs were created by mutating an amino acid with essential role in fucose binding. Characterization showed that these mutants lost the ability to invaginate the plasma membrane. In addition, monomeric RSL was engineered and a library of more than 13 mutants, with different topologies and valencies, was created. Analysis of these mutants showed that the formation of tubules in the membrane depends mostly on the distance between the sites rather than on the number of sites.Then we developed a bioinformatic protocol to predict the orientation and conformation of fucosylated oligosaccharides in the binding sites of several fucose binding lectins. The relative affinities could be calculated with a good correlation to experimental values. Both the model and the crystal structures of RSL complexed with sialyl Lewis X and Lewis X oligosaccharides indicate a very unusual conformational change of the glycan during the interaction. These studies pave the way for the design of mutants with higher specificity.

Les neutrophiles sont les leucocytes les plus nombreux et les premières cellules à arriver au site de l’infection où elles internalisent les pathogènes par phagocytose. Dès le début du processus, la NADPH oxydase s’assemble au phagosome où elle permet la production de formes réactives de l’oxygène contribuant ainsi à la destruction du pathogène. La sous-unité catalytique membranaire de la NADPH oxydase, Nox2, est donc présente à la coupe phagocytaire puis au phagosome. Le dessein de cette étude était de déterminer quelles sont les sources subcellulaires de la protéine Nox2, de savoir si la protéine s’accumule au phagosome et le cas échéant selon quelle cinétique. Dans le but de comprendre la dynamique de la protéine Nox2, la protéine d’échafaudage IQGAP1 qui est associée au cytosquelette a également été étudiée. Enfin l’étude de l’organisation spatiale de la protéine Nox2 à la synapse phagocytaire a également été abordé.En utilisant des cellules neutrophil-like (PLB-985) ainsi que des neutrophiles humains, notre étude a montré par immunofluorescence la présence de la protéine Nox2 dans des endosomes de recyclage ou dans des endosomes précoces. Lors de la phagocytose ils avoisinent le phagosome suggérant leur implication dans l’apport de la protéine Nox2 à la membrane de ce dernier. L’utilisation de cellules PLB-985 pour lesquelles l’expression de Nox2 a été supprimée puis réintroduite avec un transgène codant pour la protéine GFP-Nox2 montre que la sous-unité Nox2 s’accumule au phagosome pendant les vingt minutes suivant sa fermeture. Dans notre étude, la protéine IQGAP1 ne semble pas avoir d’effet sur la phagocytose ou sur la production de FRO par la NADPH oxydase. Enfin, grâce à une technique de microscopie super-résolution (le dSTORM) l’évolution du pattern de Nox2 dans la membrane a été évalué au cours du temps en phagocytose frustrée. En dix minutes, le nombre de clusters de protéine Nox2 augmente mais leur taille reste inchangée. / Neutrophils are the most numerous leukocytes and the first cells to arrive at the site of infection where they internalize pathogens by phagocytosis. From the beginning of the process, the NADPH oxidase is assembled at the phagosome, where it allows the production of reactive oxygen species (ROS), thus contributing to the destruction of the pathogen. The membrane bound catalytic subunit of the NADPH oxidase, Nox2, is therefore recruited at the phagocytic cup and then at the phagosome. The purpose of this study was to determine, which are the subcellular sources of the Nox2 protein, whether the protein accumulates at the phagosome and if so, according to which kinetics. In order to modify the dynamics of the Nox2 protein, the scaffold protein IQGAP1 that is associated with the cytoskeleton was also studied. Finally, the spatial organization of the Nox2 protein in the phagocytic synapse was also investigated.Using neutrophil-like cells (PLB-985) as well as human neutrophils, our study showed by immunofluorescence the presence of the Nox2 protein in recycled or early endosomes. During phagocytosis, they are close to the phagosome, suggesting their involvement in the contribution of the Nox2 protein to the phagosome membrane. The use of PLB-985 for which Nox2 expression has been suppressed and then reintroduced with a transgene encoding the GFP-Nox2 protein shows that the Nox2 subunit accumulates at the phagosome during the first twenty minutes after its closure. In our study, the protein IQGAP1 does not appear to have any effect on phagocytosis or on the production of ROS by NADPH oxidase. Finally, using super resolution microscopy (dSTORM) the evolution of the Nox2 pattern in the membrane has been evaluated over time in frustrated phagocytosis. Within ten minutes, the number of Nox2 protein clusters increases but their size remains unchanged.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel. / Cardiovascular disease (CVD) is the primary cause of death and morbidity worldwide, claiming about 900 000 lives yearly in North America alone. A high level of circulating LDL-cholesterol is a major risk factor positively correlated with premature development of complex CVD mainly due to a rapid buildup of lipid deposition in the arteries. In collaboration with Dre Boileau, we recently discovered that the convertase PCSK9 is the third locus of familial hypercholesterolemia. A study published in the New Eng J Med revealed that the absence of PCSK9 reduces the risk of CVD by ~88%, resulting from a strong reduction of cholesterol in the bloodstream (LDL-C). It has been shown that PCSK9 directly binds the low-density lipoprotein receptor (LDLR) and by an unknown mechanism, reroutes it towards degradation in late endosomes/lysosomes, resulting in the accumulation of LDL-C particles in plasma. In this thesis, we addressed three different aspects of PCSK9 biology: [1] What are the targets of PCSK9? [2] Which cellular trafficking components are involved in PCSK9-induced LDLR degradation? [3] How can we inhibit the function of PCSK9? [1] We first demonstrated that PCSK9 induces the degradation of the LDLR and two of its closest family members. These include the very-low-density-lipoprotein receptor (VLDLR) and apolipoprotein E receptor 2 (ApoER2) implicated in neuronal development and lipid metabolism. In addition, we demonstrated that these receptors enhance the cellular association of PCSK9 independently of the presence of the LDLR. This study represents the first evidence that PCSK9 could target other proteins for degradation, reinforcing its role as a key regulator of some members of the LDLR family. [2] Since PCSK9 is a secreted protein, we decided to investigate the contributions of both the intra- and extracellular trafficking pathways in LDLR degradation. Using conditioned media derived from mice primary hepatocytes, we showed that endogenously secreted PCSK9 was not able to influence LDLR levels of PCSK9-deficient primary hepatocytes (Pcsk9-/-). By flow cytometry (FACS), we observed that overexpression of the gain-of-function PCSK9-D374Y, but not wild type PCSK9, decreases cell surface LDLR on adjacent cells suggesting that its spectrum of action is local. We also noticed that blockade of endocytosis in HepG2 cells (commonly used to study endogenous LDLR degradation by PCSK9) does not affect total LDLR protein levels. In contrast, disruption of the intracellular trafficking between the trans-Golgi network (TGN) and endosomes (siRNAs against clathrin light chains; CLCs) prevented LDLR degradation in a PCSK9-specific manner. [3] By Far Western blotting, we identified that Annexin A2 (AnxA2) specifically interacts with the C-terminal domain of PCSK9, which is crucial for its function in LDLR degradation. Moreover, we determined that the R1 domain (amino acids 34 to 108) is responsible for the PCSK9AnxA2 interaction, which confers a new function for this protein. Finally, we showed that addition of AnxA2 prevents PCSK9-induced LDLR degradation. In summary, this work allowed us to identify that PCSK9 induces the degradation of the LDLR and its closest family members, ApoER2 and VLDLR. We also highlighted that the integrity of the intracellular trafficking pathway is crucial for endogenous PCSK9-induced LDLR degradation. Furthermore, we discovered that AnxA2 is a unique, natural inhibitor capable of interfering with the action of PCSK9 in LDLR degradation. It is undeniable that PCSK9 is a genetically validated target to reduce circulating LDL-cholesterol and prevent CVD. This thesis brings forth important contributions in our understanding of the cellular pathways involved and opens the door for novel therapeutic approaches.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel. / Cardiovascular disease (CVD) is the primary cause of death and morbidity worldwide, claiming about 900 000 lives yearly in North America alone. A high level of circulating LDL-cholesterol is a major risk factor positively correlated with premature development of complex CVD mainly due to a rapid buildup of lipid deposition in the arteries. In collaboration with Dre Boileau, we recently discovered that the convertase PCSK9 is the third locus of familial hypercholesterolemia. A study published in the New Eng J Med revealed that the absence of PCSK9 reduces the risk of CVD by ~88%, resulting from a strong reduction of cholesterol in the bloodstream (LDL-C). It has been shown that PCSK9 directly binds the low-density lipoprotein receptor (LDLR) and by an unknown mechanism, reroutes it towards degradation in late endosomes/lysosomes, resulting in the accumulation of LDL-C particles in plasma. In this thesis, we addressed three different aspects of PCSK9 biology: [1] What are the targets of PCSK9? [2] Which cellular trafficking components are involved in PCSK9-induced LDLR degradation? [3] How can we inhibit the function of PCSK9? [1] We first demonstrated that PCSK9 induces the degradation of the LDLR and two of its closest family members. These include the very-low-density-lipoprotein receptor (VLDLR) and apolipoprotein E receptor 2 (ApoER2) implicated in neuronal development and lipid metabolism. In addition, we demonstrated that these receptors enhance the cellular association of PCSK9 independently of the presence of the LDLR. This study represents the first evidence that PCSK9 could target other proteins for degradation, reinforcing its role as a key regulator of some members of the LDLR family. [2] Since PCSK9 is a secreted protein, we decided to investigate the contributions of both the intra- and extracellular trafficking pathways in LDLR degradation. Using conditioned media derived from mice primary hepatocytes, we showed that endogenously secreted PCSK9 was not able to influence LDLR levels of PCSK9-deficient primary hepatocytes (Pcsk9-/-). By flow cytometry (FACS), we observed that overexpression of the gain-of-function PCSK9-D374Y, but not wild type PCSK9, decreases cell surface LDLR on adjacent cells suggesting that its spectrum of action is local. We also noticed that blockade of endocytosis in HepG2 cells (commonly used to study endogenous LDLR degradation by PCSK9) does not affect total LDLR protein levels. In contrast, disruption of the intracellular trafficking between the trans-Golgi network (TGN) and endosomes (siRNAs against clathrin light chains; CLCs) prevented LDLR degradation in a PCSK9-specific manner. [3] By Far Western blotting, we identified that Annexin A2 (AnxA2) specifically interacts with the C-terminal domain of PCSK9, which is crucial for its function in LDLR degradation. Moreover, we determined that the R1 domain (amino acids 34 to 108) is responsible for the PCSK9AnxA2 interaction, which confers a new function for this protein. Finally, we showed that addition of AnxA2 prevents PCSK9-induced LDLR degradation. In summary, this work allowed us to identify that PCSK9 induces the degradation of the LDLR and its closest family members, ApoER2 and VLDLR. We also highlighted that the integrity of the intracellular trafficking pathway is crucial for endogenous PCSK9-induced LDLR degradation. Furthermore, we discovered that AnxA2 is a unique, natural inhibitor capable of interfering with the action of PCSK9 in LDLR degradation. It is undeniable that PCSK9 is a genetically validated target to reduce circulating LDL-cholesterol and prevent CVD. This thesis brings forth important contributions in our understanding of the cellular pathways involved and opens the door for novel therapeutic approaches.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de mortalité dans les pays industrialisés. L'hypercholestérolémie constitue un facteur de risque majeur pour les MCV. Elle est caractérisée par des niveaux élevés de lipoprotéines de faible densité (LDL, aussi appelé “mauvais cholestérol”). La présence prolongée de haut niveaux de LDL dans la circulation augmente le risque de formation de plaques athérosclérotiques, ce qui peut conduire à l'obstruction des artères et l'infarctus du myocarde. Le LDL est normalement extrait du sang par sa liaison au récepteur du LDL (LDLR) qui est responsable de son endocytose dans les hépatocytes. Des études génétiques humaines ont identifié PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) comme le troisième locus responsable de l'hypercholestérolémie autosomique dominante après le LDLR et son ligand l’apolipoprotéine B-100. PCSK9 interagit avec le LDLR et induit sa dégradation, augmentant ainsi les niveaux plasmatiques de LDL. Les mutations gain de fonction (GF) de PCSK9 sont associées à des niveaux plasmatiques élevés de LDL et à l'apparition précoce des MCV, alors que les mutations perte de fonction (PF) de PCSK9 diminuent le risque de MCV jusqu’à ~ 88% grâce à une réduction du LDL circulant. De ce fait, PCSK9 constitue une cible pharmacologique importante pour réduire le risque de MCV. PCSK9 lie le LDLR à la surface cellulaire et/ou dans l'appareil de Golgi des hépatocytes et provoque sa dégradation dans les lysosomes par un mécanisme encore mal compris. Le but de cette étude est de déterminer pourquoi certaines mutations humaines de PCSK9 sont incapables de dégrader le LDLR tandis que d'autres augmentent sa dégradation dans les lysosomes. Plusieurs mutations GF et PF de PCSK9 ont été fusionnées à la protéine fluorecente mCherry dans le but d'étudier leur mobilité moléculaire dans les cellules hépatiques vivantes. Nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que les mutations GF (S127R et D129G) avaient une mobilité protéique plus élevée (> 35% par rapport au WT) dans le réseau trans- Golgien. En outre, nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence inverse après photoblanchiment (iFRAP) ont montré que les mutations PF de PCSK9 (R46L) avaient une mobilité protéique plus lente (<22% par rapport au WT) et une fraction mobile beaucoup plus petite (<40% par rapport au WT). Par ailleurs, nos analyses de microscopie confocale et électronique démontrent pour la toute première fois que PCSK9 est localisée et concentrée dans le TGN des hépatocytes humains via son domaine Cterminal (CHRD) qui est essentiel à la dégradation du LDLR. De plus, nos analyses sur des cellules vivantes démontrent pour la première fois que le CHRD n'est pas nécessaire à l'internalisation de PCSK9. Ces résultats apportent de nouveaux éléments importants sur le mécanisme d'action de PCSK9 et pourront contribuer ultimement au développement d'inhibiteurs de la dégradation du LDLR induite par PCSK9. / Coronary heart diseases (CHD) are a leading cause of death in Western societies. Hypercholesterolemia is a major risk factor for CHD. It is characterized by high levels of circulating low-density lipoprotein cholesterol (LDL, also called "bad cholesterol"). The prolonged presence of elevated levels of LDL in the circulation increases the risk of formation of atherosclerotic plaques, which can lead to obstruction of arteries and myocardial infarction. LDL is normally cleared from the blood through the binding of its sole protein constituent apolipoprotein B100 to hepatic LDL receptor (LDLR), which mediates its endocytosis in the liver. Human genetic studies have identified PCSK9 as the third gene responsible of autosomal dominant hypercholesterolemia after LDLR and its ligand apolipoprotein B100. PCSK9 interacts with the LDLR and induces its degradation thereby causing plasma LDL levels to rise. PCSK9 gain-of-function (GOF) mutations are associated with elevated plasma LDL levels and premature CHD while PCSK9 loss-offunction (LOF) mutations reduce the risk of CHD up to ~88% owing to reduction of circulating LDL. Accordingly, PCSK9 is recognized as a major pharmacological target to lower the risk of CHD. PCSK9 binds the LDLR at the cell surface and/or in the Golgi apparatus of hepatocytes and causes its degradation in lysosomes by a mechanism not yet clearly understood. The goal of this study was to determine why some human PCSK9 mutations fail to induce LDLR degradation while others increase it in lysosomes. Several PCSK9 LOF and GOF mutations were fused to the fluorescent protein mCherry to study their molecular mobility in living human liver cells. Our quantitative analysis of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) showed that PCSK9 GOF mutations S127R and D129G have a higher protein mobility (>35% compared to WT) at the trans- Golgi network (TGN). Our quantitative analysis of inverse fluorescence recovery after photobleaching (iFRAP) showed that PCSK9 LOF mutation R46L presented a much slower protein mobility (<22% compared to WT) and a much slower mobile fraction (<40% compared to WT). In addition, our confocal and electron microscopy analyses demonstrate for the first time that PCSK9 is localized and concentrated at the TGN of human hepatocytes. Furthermore, our results demonstrate that PCSK9 localization in the TGN is mediated through its C-terminal cysteine and histidine-rich domain (CHRD), which is essential for LDLR degradation. Also, our live-cell analyses demonstrate for the first time that the CHRD is not required for internalization of PCSK9. These results provide important new information on the mechanism of action of PCSK9 and may ultimately help in the development of inhibitors of the PCSK9-induced LDLR degradation.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de récepteurs à domaines transmembranaires et sont impliqués dans divers processus biologiques, ce qui en fait une cible privilégiée pour le développement de médicaments. Parmi les protéines qui régulent la signalisation des RCPG, les β-arrestines sont impliquées dans plusieurs fonctions canoniques telles que la désensibilisation, l'internalisation et le trafic des récepteurs. En outre, la β-arrestine accomplit aussi des fonctions non-canoniques en agissant comme un échafaudage pour des complexes de signalisation notamment pour la voie MAPK et ainsi favorise certaines voies de signalisation intracellulaire. La présente thèse visait à explorer des fonctions non-canoniques et de nouveaux mécanismes possibles de régulation de la β-arrestine induite par l'activation des RCPG. Le premier projet visait à mettre en évidence le mécanisme de trafic des protéines G de la membrane plasmique vers les endosomes et le rôle que joue la β-arrestine dans ce processus. Nous avons montré que la sous-unité Gαs se dissocie de la membrane plasmique indépendamment de la β-arrestine après l'activation des récepteurs, alors que le dimère Gβγ nécessite la présence de la β-arrestine. Nous avons également mis en évidence la formation d'un complexe composé du récepteur V2 de la vasopressine, de la β-arrestine et de l'hétérodimère Gβγ et que ce complexe est crucial pour la translocation des protéines G vers les endosomes. Cette étude met en évidence le rôle de la β-arrestine dans le trafic endosomal des protéines G et établit les bases pour expliquer sa contribution dans la médiation de la signalisation soutenue des protéines G dans les endosomes. Le second projet avait pour objectif d'explorer le rôle de l'ubiquitination du récepteur du glucagon (GCGR) sur sa signalisation et les fonctions de la β-arrestine. Nous avons montré que l'état d'ubiquitination de ce récepteur cause un biais de signalisation, car le GCGR déubiquitiné présente une diminution du couplage et de l'activité des protéines G alors que la liaison à la β-arrestine est augmentée. Ceci contribue à l’activation de la voie de signalisation MAPK p38 de manière dépendante de la β-arrestine 1. Nous avons également montré que le biais en faveur de la β-arrestine ne réduit pas la sécrétion d'insuline médiée par le GCGR dans les cellules β pancréatiques. Cette étude suggère que la sécrétion d’insuline dépendante du GCGR implique à la fois une signalisation dépendante des protéines G, mais aussi de la β-arrestine. Le statut d'ubiquitination du GCGR oriente la signalisation du récepteur par différents effecteurs pour réguler la sécrétion d'insuline et l'homéostasie du glucose. Le troisième projet visait à identifier de nouveaux interacteurs des β-arrestines 1/2 et à caractériser le rôle de ces interactions dans le contexte de la signalisation des RCPG. Nous avons identifié plus de 100 nouveaux interacteurs potentiels des β-arrestines 1/2 en utilisant l'approche protéomique BioID. Nous avons confirmé l'interaction de l'enzyme atypique de conjugaison de l'ubiquitine UBE2O avec les β-arrestines. Nous avons également montré que UBE2O module le trafic des β-arrestines entre la membrane plasmique et les endosomes. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour explorer des fonctions potentielles des β-arrestines médiées par leurs liaisons à des interacteurs jusqu'alors non identifiés. Les résultats compilés dans cette thèse permettent de dresser un tableau plus étendu des mécanismes régulant les fonctions de la β-arrestine ainsi que de nouveaux rôles potentiels que cette protéine joue dans la signalisation des RCPG. La caractérisation des fonctions non-canoniques et des mécanismes de régulation de la β-arrestine est une avenue prometteuse qui pourrait mener au développement de thérapies ciblant les RCPG. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest family of transmembrane receptors and are involved in various biological processes, making them an interesting target for drug discovery. GPCR signaling is regulated by various proteins, including the β-arrestin family that mediate various canonical functions such as receptor desensitization, internalization, and trafficking. β-arrestin also fulfills certain non-canonical roles and has been shown to trigger intracellular signaling by acting as a scaffold for signaling complexes such as for the MAPK pathway. The present thesis aimed to explore non-canonical functions and possible novel mechanism of regulation of β-arrestin following GPCR activation. The objective of the first project was to uncover G protein trafficking mechanism from the plasma membrane to the endosomes and the role that β-arrestin plays in this process. We showed that the Gαs subunit dissociates from the plasma membrane independently of β-arrestin after receptor activation while the Gβγ dimer requires β-arrestin for its trafficking. We also revealed the formation of a complex composed of the vasopressin V2 receptor, β-arrestin, and the Gβγ heterodimer and that this complex is critical for G protein translocation to the endosomes. This study highlights the role of β-arrestin in Gβγ trafficking and lays the basis for explaining the role of β-arrestin in mediating sustained endosomal G protein signaling. The aim of the second project was to explore the role of the glucagon receptor (GCGR) ubiquitination on signaling and β-arrestin functions. We showed that the ubiquitination state of the receptor controls signaling bias as a deubiquitinated GCGR exhibits decreased G protein coupling and activity while β-arrestin binding is enhanced. Deubiquitinated GCGR signaling is also redirected to a β-arrestin 1-dependent p38 MAPK pathway. We also revealed that this β-arrestin bias does not reduce GCGR-mediated insulin secretion in pancreatic β-cells. This study suggests that GCGR-dependent insulin secretion involves both G-protein and β-arrestin-dependent signaling. The ubiquitination status of GCGR directs signaling through different effectors to regulate insulin secretion and glucose homeostasis. The third project aimed to identify novel interactors of β-arrestin 1/2 and characterize the role of these interactions in the context of GPCR signaling. We identified over 100 new β-arrestin 1/2 potential interactions using the BioID proteomic approach. We confirmed the interaction of the atypical ubiquitin conjugating enzyme UBE2O with β-arrestin by co-immunoprecipitation and by BRET. We also showed that UBE2O modulates β-arrestin trafficking between the plasma membrane and early endosomes. The results of this study open new avenues to explore novel functions and regulation mechanisms of β-arrestin mediated by their interactions with previously unidentified interactors. The findings compiled in this thesis shed light on a broader picture of the mechanisms regulating β-arrestin functions, as well as the potential novel roles this protein plays in GPCR signaling. The characterization of non-canonical functions and regulatory mechanisms of β-arrestin is an exciting avenue that could be important in the development of future therapies targeting GPCRs.

La bactérie phytopathogène E. amylovora, est l'agent responsable du Feu bactérien des Spiraeoideae (pommier, poirier, pyracantha), une maladie caractérisée par l'apparition de symptômes nécrotiques des tissus infectés. Le pouvoir pathogène d’E. amylovora repose entre autre sur un système de sécrétion de type III (SSTT) qui permet la sécrétion et l'injection d'effecteurs dans la cellule hôte végétale. Parmi les protéines injectées par le T3SS d'E. amylovora, DspA est essentielle au pouvoir pathogène de la bactérie puisqu’un mutant dspA est non pathogène sur plante (Gaudriault et al., 1997). Le rôle de DspA est dual, d’une part, l’expression de dspA est suffisante pour provoquer des symptômes nécrotiques sur plante et une toxicité chez la levure, d’autre part, DspA est impliquée dans la suppression des réactions de défense telles que la déposition de callose (Degrave et al., 2008; Boureau et al., 2006; Oh et al., 2007; DebRoy et al., 2004). DspA appartient à la famille des effecteurs AvrE qui sont répandus chez les bactéries phytopathogènes et semblent posséder une fonction similaire. Cependant, peu de connaissance existe sur la structure ainsi que la fonction de DspA. L'objectif de ce travail de thèse était de déterminer les domaines ou motifs importants pour la fonction de DspA. Pour cela nous avons choisi d'effectuer une analyse in silico et fonctionnelle de la protéine DspA. L'analyse in silico révèle la présence d'un domaine bêta-propeller au sein de la protéine DspA ainsi que de tous les homologues analysés. De plus, l'analyse fonctionnelle indique que ce domaine est important pour la structure et la fonction de DspA. Dans un second temps, j'ai étudié le mécanisme d'action de DspA dans la levure Saccharomyces cerevisiae. J'ai pu mettre en évidence que l'expression de dspA chez la levure induit un arrêt de croissance et une forte altération du trafic cellulaire. L'étude de mutants de levure suppresseurs de la toxicité de DspA, effectuée avant mon arrivée au laboratoire, montre que les suppresseurs les plus forts sont affectés dans la voie de biosynthèse des sphingolipides, je me suis donc plus particulièrement intéressée au rôle des sphingolipides dans la toxicité générée par DspA. Nos résultats montrent que DspA inhibe la biosynthèse des sphingolipides indirectement via les régulateurs négatifs de la voie, les protéines Orms. / Erwinia amylovora is the causative agent of fire blight of Spiraeoideae (apple, pear, pyracantha), a disease characterized by the apparition of necrotic symptoms on infected tissues. The pathogenicity of E. amylovora relies on a functional type III secretion system (T3SS) that allows secretion and injection of effector proteins into the host plant cell. Among these effector proteins injected by the T3SS of E. amylovora, DspA is essential to the bacteria disease process since a dspA mutant is nonpathogenic on plants (Gaudriault et al., 1997). DspA has a dual role; on the one hand dspA expression is sufficient to induce cell death on plants and toxicity on yeast, on the other hand, DspA is involved on suppression of defense reactions like callose deposition (Degrave et al., 2008; Boureau et al., 2006; Oh et al., 2007; DebRoy et al., 2004). DspA belongs to the AvrE familly of type III effectors which are widespread on phytopathogenic bacteria and likely possess a similar function. However, the structure and function of DspA remain unknown. In the first part of my thesis, I attempted to characterize domains or motifs important for the function of DspA. We performed an in silico and a functional analysis of the DspA protein. In silico analysis predicted a bêta-propeller domain in DspA and all the analysed effectors. In the second part of my thesis, I analysed the mechanism of function of DspA in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Results showed that expression of dspA in yeast inhibits cell growth and alters the actin cytoskeleton and endocytosis. Screening of the Euroscarf library for mutants resistant to DspA induced toxicity revealed that mutants impaired in the sphingolipid biosynthetic pathway are the best suppressors. Based on this results, I attempted to determine the role of sphingolipids in the toxicity induced by DspA. Results showed that DspA inhibits indirectly the sphingolipid biosynthetic pathway via the negative regulators, Orm proteins.

La compréhension des interactions entre les nanomatériaux et les entités biologiques est fondamentale pour développer des nanoproduits en oncologie. NBTXR3 (nanoparticule inerte d'oxyde d'hafnium) et protoporphyrine IX (Pp IX) nanotransporteur (nanoparticule de silice encapsulant le Pp IX, le monomère du Photofrin®) sont des nanoproduits, issus des plateformes Nanobiotix, développés pour élargir la fenêtre thérapeutique des traitements du cancer en utilisant des sources d'activation externe de type " on " / " off ". La première partie de ce travail présente l'étude de l'interaction de NBTXR3 avec des cellules tumorales coliques humaines. NBTXR3 pénètre par endocytose et persiste dans le compartiment endolysosomial. Une augmentation significative de la réponse cellulaire à la radiothérapie est démontrée après activation de NBTXR3 par des radiations ionisantes. L'irradiation des cellules traitées par NBTXR3 entraîne des modifications spécifiques de leur morphologie par rapport aux contrôles; elles sont décrites ici. Une deuxième partie présente la synthèse d'un nouvel hybride pour la thérapie photodynamique, le Pp IX nanotransporteur, et étudie son interaction in vitro avec six lignées de cellules tumorales humaines et in vivo dans un modèle de souris nude xénogreffée avec trois types tumoraux. In vitro, le Pp IX nanotransporteur activé à 630 nm est plus efficace que le Pp IX libre. De plus, ce nouvel hybride favorise la biodistribution du Pp IX, avec une cinétique d'accumulation tumorale différente entre les modèles. La compréhension des interactions entre nanoparticules et cellules cancéreuses, apportée par ce travail, contribue à la création de nanothérapies innovantes.