L’endocytose dépendante de la clathrine (EDC) est un processus fondamental des cellules eucaryotes. Elle se caractérise par la formation d’invaginations à la membrane plasmique aboutissant à la création de petites vésicules par l’action de la dynamine. Dans le cerveau, elle est impliquée dans la dépression synaptique à long terme, un corrélat cellulaire de la mémoire. La morphologie complexe des neurones et le contrôle précis du code neuronal suggèrent qu’elle puisse être régulée spatialement et temporellement dans ces cellules. Le but de mon travail a été de développer de nouveaux outils pour visualiser et perturber l’EDC afin d’étudier ce type de régulation. Le premier de ces outils est pHuji, un senseur de pH rouge génétiquement encodable. Je l’ai utilisé avec un senseur de pH vert existant pour montrer que dans les cellules NIH- 3T3, le récepteur β2-adrénergique est internalisé dans une sous-population de vésicules contenant le récepteur à la transferrine constitutivement endocyté. Le deuxième est une nouvelle méthode d’imagerie permettant de visualiser l’activité d’endocytose de structures recouvertes de clathrine optiquement stables dans des neurones d’hippocampe. J’ai ainsi pu suivre pour la première fois la cinétique d’internalisation de récepteurs au glutamate de type AMPA dans des conditions de plasticité. Enfin, j'ai élaboré un test combinant imagerie et patch-clamp afin de développer un bloqueur peptidique spécifique de l'EDC. En utilisant des peptides dimériques, j’ai montré que la dynamine se lie à ses partenaires via des interactions multimériques. En conclusion, ce travail propose une boite à outils permettant d’élucider les mécanismes de l’EDC avec une grande résolution spatiale et temporelle. / Clathrin mediated endocytosis (CME) is a fundamental process of all eukaryotic cells. At the level of the plasma membrane, it is characterized by the formation of deep invaginations resulting in the creation of small vesicles after membrane scission by dynamin. In the central nervous system, it is involved in the expression of synaptic long term depression, a proposed cellular correlate of learning and memory. The complex morphology of neurons and the precise timing of neuronal firing suggest that endocytosis may be spatially and temporally regulated in those cells. The aim of the work presented here was to develop new tools to visualize and perturb CME in order to study such regulation. The first tool to be characterized was pHuji, a genetically encoded red pH-sensor. I used it in combination with an existing green pHsensor to demonstrate that in NIH-3T3 cells, the β2-adrenergic receptor was internalized in a subset of vesicles containing the constitutively endocytosed transferrin receptor. The second tool is a new imaging method that allowed me to monitor the endocytic activity of optically stable clathrin coated structures in hippocampal neurons. I was thus able to visualize for the first time the kinetics of internalization of AMPA-type glutamate receptors under plasticity inducing conditions. Finally, I set up an assay combining imaging and cell dialysis in order to develop a specific peptide-based inhibitor of CME. Using dimeric peptides, I found that the interplay between dynamin and its binding partners relies on multimeric interactions. Altogether, this work provides a toolbox to decipher the mechanisms of vesicle formation with high spatial and temporal resolution.

ITCH est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans différents processus cellulaires. Elle contient une région riche en prolines (PRR, proline rich region) qui lui permet de lier le domaine SH3 (Src homology 3) d’Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Plusieurs de ces protéines sont impliquées dans l’endocytose clathrine-dépendante de récepteurs tel le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR, epidermal growth factor receptor). Après activation, l’EGFR est internalisé dans des vésicules enrobées de Clathrine et un complexe protéique formé par CBL, CIN85 et Endophiline participe à cet évènement. ITCH lie l’ubiquitine à CBL et à Endophiline pour vraisemblablement modifier leurs fonctions, ce qui suggère un lien direct entre cette ligase et l’endocytose de l’EGFR. Afin de déterminer le rôle d’ITCH dans ce processus, plusieurs expériences furent réalisées. Premièrement, la modalité de liaison entre la ligase ITCH et les protéines à domaine SH3 a été étudiée en détails. Une série de mutations dans la région PRR d’ITCH nous a aidé à identifier trois résidus arginines (R252, R255, R258) nécessaires pour son interaction avec Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Deuxièmement, des lignées cellulaires HeLa et Cos7 furent modifiées génétiquement par CRISPR pour empêcher l’expression d’ITCH. Ces lignées cellulaires knockout furent caractérisées et utilisées dans un essai d’endocytose de l’EGFR, puis examinées par spectrométrie de masse. L’internalisation d’EGFR fut suivie en microscopie confocale à l’aide d’un ligand EGF fluorescent -/- dans les deux types de cellules ITCH . En absence d’ITCH, nous observons une diminution significative du niveau d’EGF internalisé par rapport aux cellules parentales. La surexpression d’ITCH dans les cellules ITCH-/- rétablit l’internalisation normale de l’EGF, confirmant l’implication d’ITCH dans le processus, mais la surexpression des formes mutantes de ITCH incapable de lier Endophiline ou catalytiquement inactive ne rétablit pas l’internalisation de l’EGF. Ces résultats nous permettent de conclure que l’interaction ITCH-Endophiline et la fonction catalytique de ITCH sont nécessaires pour l’endocytose de l’EGFR. Ensemble, ces deux fonctions de ITCH régulent le trafic endocytique de l’EGFR. De plus, les cellules ITCH-/- montrent un délai de dégradation de l’EGFR phosphorylé ainsi qu’une prolongation du temps d’activation de la kinase MAPK (mitogen-activated protein kinase). Finalement, pour explorer l’influence de l’absence d’ITCH sur ses substrats et partenaires moléculaires nous avons effectué une comparaison protéomique des partenaires d’interaction et des protéines ubiquitylées à partir des lysats cellulaires ITCH-/- et WT. Les résultats ont montré que le manque d’expression de la ligase ITCH altère la présence peptidique des protéines liées à la signalisation de l’EGFR, à la voie protéolytique dépendante de l'ubiquitine et à l’adhésion cellulaire. Cette étude révèle pour une première fois que la protéine ITCH est requise pour l’endocytose dépendante de la Clathrine de l’EGFR. / ITCH is a ubiquitin ligase involved in various cellular processes including endocytosis. It contains a proline rich region (PRR) which allows it to bind the SH3 domain of endophilin and other SH3 domain-containing proteins involved in Clathrin-mediated endocytosis (CME). CME is an important regulatory mechanism for growth factor receptor activity. The epidermal growth factor receptor (EGFR) is actively internalized in Clathrin-coated vesicles after activation. This endocytosis is facilitated by a protein complex formed by CBL, CIN85 and Endophilin. ITCH is known to ubiquitinate both CBL and endophilin, providing a potential functional link between the ligase and receptor internalization. In order to determine the role of ITCH in this process, several experiments were performed. First, the mapping of molecular binding sites between the ligase ITCH and SH3 domain proteins has been studied in detail. A series of mutations in the PRR region of ITCH helped us identify three arginine residues (R252, R255, R258) as necessary for its interaction with endophilin and all the tested SH3-domain containing proteins. Secondly, HeLa and Cos7 cell lines were genetically modified by CRISPR to prevent ITCH expression. These knockout cell lines were characterized for use in an EGFR endocytosis assay and for mass spectrometry analysis. EGFR internalization was monitored by confocal microscopy using fluorescent EGF ligand in both ITCH-/- cell types. In the absence of ITCH, a significant decrease in the level of internalized EGF compared to parental cells is visible. Overexpression of WT ITCH in the knockout cells restores normal internalization of EGF, confirming the involvement of ITCH in the process. Overexpression of Endophilin-binding defective or catalytically inactive ITCH does not restore the internalization of EGF in ITCH-/- cells. These results show that the ITCH- Endophilin interaction as well as the catalytic function of ITCH are necessary for the endocytosis of EGFR. In addition, ITCH-/- cells show a delay in the degradation of phosphorylated EGFR accompanied with an extended period of mitogen-activated protein kinase (MAPK) activation. In a last set of experiments, we explored the influence of the absence of ITCH on its substrates and molecular partners. We performed a proteomic comparison of ITCH-binding partners and potential substrates using the ITCH-/- and WT cell lysates. The results showed that the lack of ITCH expression alters the peptide count of proteins mainly related to EGFR signaling, theubiquitin-dependent proteolytic pathway and cell adhesion. This study shows for the first time that the protein ITCH is required for the clathrin-dependent endocytosis of EGFR.

Le trafic membranaire est essentiel dans les neurones pour la morphogénèse, le recyclage des vésicules synaptiques et des récepteurs. L’exocytose des récepteurs AMPA contenus dans les endosomes de recyclage (ER) est nécessaire pour l’expression de la plasticité synaptique à long terme (PLT). Pour étudier ce mécanisme, nous avons visualisé l’exocytose par microscopie de fluorescence sur des neurones en culture transfectés avec le récepteur de la transferrine (TfR), un marqueur des ER, fusionné à la phluorine. Un examen systématique des événements d'exocytose a révélé des différences de comportement. Dans la plupart des cas, les récepteurs diffusent rapidement dans la membrane plasmique après exocytose (discharge), mais dans environ 25% des cas, les récepteurs restent concentrés (display). L’utilisation de changements rapides de pH extracellulaire autour de la cellule montre que l’exocytose est transitoire : après quelques secondes (médiane 2.6s) les récepteurs sont réinternalisés. Ce mécanisme a pu être étendu aux récepteurs AMPA et β2-adrenergique, pour lesquels l’exocytose de type display avait déjà été décrite. L’imagerie deux couleurs montre que Rab11, un marqueur des ER, est enrichie au site d’exocytose. L’expression d’un dominant négatif de Rab11 connu pour inhiber la PLT provoque une diminution spécifique de la fréquence des évènements discharge. Dans nos recherches sur le mécanisme de l’exocytose, nous avons testé l’implication des protéines SNARE dans la fusion membranaire. Ainsi VAMP4 est enrichie avec le TfR dans les ER qui sont exocytés à une fréquence équivalente. De plus, elle est requise pour le recyclage du TfR. / Membrane trafficking is essential for neuronal function: from growth of neurons and synapse formation to recycling of synaptic vesicles and receptors, questions concerning exocytosis and endocytosis are stimulating neurobiology research. In particular, trafficking of glutamate receptors present in recycling endosomes (REs) is necessary for the expression of long term potentiation (LTP). To investigate the mechanism of exocytosis in dendrites, we have imaged cultured rat hippocampal neurons transfected with transferrin receptor, a classical marker of REs, tagged with phluorin. As for AMPA receptors or β2-adrenegric receptors, single exocytic events has revealed two main behaviors: in most cases, receptors diffuse quickly in the plasma membrane after exocytosis (discharge events), but receptors can also remain clustered (display events). Using fast extracellular pH changes around the recorded cell, we show that for display events exocytosis is transient: after a few seconds (median 2.6 s) receptors are internalized. Moreover, using two color imaging of single exocytosis events with markers of neuronal compartments, we found that Rab11 is enriched at the exocytosis site, confirming the endosomal origin of the vesicles. Overexpression of a dominant negative form of Rab11 known to impair LTP decreases selectively the frequency of discharge events. As SNARE proteins are involved in virtually all membrane fusion processes, we investigated the role of Vamp proteins in somatodendritic exocytosis events. We found that Vamp4, unlike Vamp2 or Vamp7, is enriched in TfR containing compartments and can undergo exocytosis at high frequency and is required for TfR exocytosis.

L’érythropoïèse est le processus de différentiation d’un progéniteur érythroïde multipotent en globules rouges. La différentiation érythroïde est essentiellement contrôlée par le récepteur à l’érythropoïétine (EPOR). Nous avons montré que le récepteur à la transferrine de type 2 (TFR2) est un membre important du complexe formé par l’EPOR. Le TFR2 présente, comme l’EPOR une expression restreinte qui dépend du type cellulaire. Ainsi son expression n’a pu être détectée que dans le foie, l’érythron et l’intestin grêle. Le rôle du TFR2 a été exploré dans les hépatocytes et il a été montré qu’il joue le rôle d’un senseur de fer dans cette lignée et de ce fait contribue à l’homéostasie du fer. Nous avons déterminé le rôle du TFR2 dans les érythroblastes et montré que TFR2 est une protéine escorte de l’EPOR qui contribue à l’érythropoïèse in vitro et in vivo. De plus, nos travaux montrent que le TFR2 est requis pour la production de GDF15 (Growth Differentiation Factor 15) dans les érythroblastes. D’autre part nous avons démontré que la production de GDF15 est augmentée par l’EPO, la déplétion intracellulaire en fer et l’activité transactivatrice de P53. L’inhibition de l’expression de P53, réalisée au cours de l’étude de son rôle dans la production de GDF15, a révélé son implication dans l’érythropoïèse normale. Nous avons mis en évidence l’existence de plusieurs formes du TFR2. Deux d’entre elles résultent de l’utilisation de sites distincts d’initiation de la traduction. Ces deux isoformes sont régulée différemment au cours de la maturation des érythroblastes. La troisième isoforme, appelée TFR2 soluble (sTFR2), est relargée dans le plasma suite au clivage du TFR2. Nous avons montré que la production du sTFR2 est inhibée en présence du ligand de TFR2, la transferrine saturée en fer (holoTF) alors que le TFR2 est stabilisé dans ces mêmes conditions. Les rôles spécifiques des trois formes du TFR2 doivent encore être élucidés. / Erythropoiesis is the differentiation process of a multipotent erythroid progenitor into red blood cells. Erythroid differentiation is primarily controlled by the erythropoietin receptor (EPOR). We showed that the Transferrin receptor 2 (TFR2) is an important member of the EPOR complex. TFR2 has like EPOR a lineage-restricted expression and can solely be detected in the liver, erythron and small intestine. TFR2 function has been explored in hepatocytes where it plays the role of an iron sensor and contributes to iron homeostasis. We determined the role of TFR2 in erythroblasts and showed that TFR2 is an escort protein for EPOR that contributes to optimal erythropoiesis in vitro and in vivo. Moreover we evidenced that TFR2 is absolutely required for the production of Growth differentiation factor 15 (GDF15) in erythroblasts. We further demonstrated that GDF15 production is increased by EPO levels, by intracellular iron depletion as well as by P53 trans-activation activity. The inhibition of P53 expression, realized for the study of its role in GDF15 production, revealed its implication in normal erythropoiesis. We evidenced that TFR2 is expressed under several forms, two of which result from the utilization of distinct translational initiation sites. These two isoforms are differently regulated during erythroid maturation. The third form called soluble TFR2 (sTFR2) is released in the plasma after TFR2 cleavage. We showed that sTFR2 production is inhibited in the presence of TFR2 ligand, iron loaded transferrin (holoTF) whereas cell surface TFR2 expression is stabilized by holoTF. The specific roles of the three forms of TFR2 expressed by erythroblasts remain to be elucidated.

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