In order to associate with the cytoplasmic leaflet of the plasma membrane, many cytosolic signalling proteins possess a distinct lipid binding domain as part of their overall fold. Here, a multiscale simulation approach has been used to investigate three membrane-binding proteins involved in cellular processes such as growth and proliferation. The pleckstrin homology (PH) domain from the general receptor for phosphoinositides 1 (GRP1-PH) binds phosphatidylinositol (3,4,5)-trisphosphate (PI(3,4,5)P₃) with high affinity and specificity. To investigate how this peripheral protein is able to locate its target lipid in the complex membrane environment, Brownian dynamics (BD) simulations were employed to explore association pathways for GRP1-PH binding to PI(3,4,5)P₃ embedded in membranes with different surface charge densities and distributions. The results indicated that non-PI(3,4,5)P₃ lipids can act as decoys to disrupt PI(3,4,5)P₃ binding, but that at approximately physiological anionic lipid concentrations steering towards PI(3,4,5)P₃ is actually enhanced. Atomistic molecular dynamics (MD) simulations revealed substantial membrane penetration of membrane-bound GRP1-PH, evident when non-equilibrium, steered MD simulations were used to forcibly dissociate the protein from the membrane surface. Atomistic and coarse grained (CG) MD simulations of the phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten (PTEN) tumour suppressor, which also binds PI(3,4,5)P₃, detected numerous non-specific protein-lipid contacts and anionic lipid clustering around PTEN that can be modulated by selective in silico mutagenesis. These results suggested a dual recognition model of membrane binding, with non-specific membrane interactions complementing the protein-ligand interaction. Molecular docking and MD simulations were used to characterise the lipid binding properties of kindlin-1 PH. Simulations demonstrated that a dynamic salt bridge was responsible for controlling the accessibility of the binding site. Electrostatics calculations applied to a variety of PH domains suggested that their molecular dipole moments are typically aligned with their ligand binding sites, which has implications for steering and ligand electrostatic funnelling.

Le gène TP53 est extrêmement polymorphique avec 85 polymorphismes décrits. Certains de ces polymorphismes sont associés à une augmentation du risque de cancer, par exemple rs10425222 peut moduler les fonctions de p53. Cependant, pour d’autres, comme le rs17878362 qui est le polymorphisme intronique le plus étudié, leur association avec une augmentation du riques au cancer est controversée.Pour analyser l’association entre le polymorphisme rs17878362 et la susceptibilité au cancer, nous avons analysé son rôle dans des contextes de cancers sporadiques et familiaux. Les résultats obtenus pour le polymorphisme rs17878362 sont paradoxaux avec une augmentation des cancers sporadiques associée avec le génotype A2A2 alors que l’allèle A2 est associé avec un effet « protectif » chez les patients atteints du syndrome de Li-Fraumeni porteurs d’une mutation germinale de TP53 situé sur l’haplotype A1. Ces observations suggèrent que des haplotypes spécifiques de TP53 pourraient moduler les capacités suppressives de p53. Une hypothèse possible est que les différents haplotypes de TP53 présenteraienrt des mutations somatiques à des fréquences différentes dans la population.De plus, le gène TP53 exprime différentes isoformes, comme le D40p53, inhibant l’activité suppressive de p53. Le D40p53 peut être produite par le maintien de l’intron 2 par épissage alternatif. Nous avons montré que les G-quadruplexes, des structures tridimensionnelles formées dans des régions riches en G, sont formés dans l’intron 3 et régulent la rétention de l’intron 2 et la formation du transcrit p53I2. Nous avons aussi observé que le polymorphisme rs1652785 (localisé dans l’intron 2) semble réguler la stabilité du p53I2. Ces résultats suggèrent que les polymorphismes de TP53 localisés dans une région de 412 pb située entre l’exon 2 et l’exon 4 régulent l’expression des isoformes de p53 dans une séquence temporelle d’évènements en modulant la formation des pré-ARNm (rs17878362), la stabilité des ARNm (rs1642785) et les fonctions protéiques (rs10425222).L’expression des isoformes de p53 est donc finement régulée par des mécanismes impliquant les polymorphismes de TP53 qui sont aussi associés avec une altération dans la susceptibilité au cancer. / The TP53 gene is a highly polymorphic gene with 85 polymorphisms described. Some of these have been associated with an increase of cancer susceptibility, for example rs10425222 that can modulate certain p53 activities. However for others such as rs17878362, the most studied intronic polymorphism, the association with cancer risk is more controversial. To investigate the influence of rs17878362 on cancer susceptibility, we analysed its role in sporadic and familial contexts. The results are paradoxical with an increase of sporadic cancer associated with the rs17878362 A2A2 genotype whereas the rs17878362 A2 allele is associated with a “protective” effect in the context of Li-Fraumeni patients carrying a TP53 germline mutation on an A1 haplotype. These observations suggest that specific TP53 haplotypes could modulate p53’s tumour suppression capacities. A possible hypothesis to explain this could be that somatic mutations are carried on different haplotypes of TP53 present at different allele frequencies in the population. In addition, TP53 is expressed as several protein isoforms, such as D40p53, which inhibits p53’s suppressive activity. D40p53 can be produced from an alternative spliced transcript that retains intron 2. We have shown that G-quadruplexes, tri-dimensional structures formed in G-rich sequences, are formed in intron 3 and regulate the retention of intron 2 and the formation of the p53I2 transcript. We also observed that rs1642785 (located in intron 2) could regulate p53I2’s stability. These results suggest that the TP53 polymorphisms located in a 412 bp region located between exon 2 and exon 4 regulate the expression of p53 isoforms in a temporal sequence of events by modulating the pre-mRNA formation (rs17878362), mRNA stability (rs1642785) and protein functions (rs1042522).p53 isoforms’ expression is thus finely regulated by mechanisms involving TP53 polymorphisms, which are also associated with altered cancer susceptibility.

There is a lack of low toxicity, specific anticancer therapies and in many cancer types there are limited effective treatments. Enhancer RNAs are noncoding RNA transcripts transcribed from enhancer regions. Increasing evidence of the function of eRNA in gene regulation suggests the possibility of eRNA involvement in cancer development. This report examines literature on enhancer RNA as a potent component in transcription control specifically in cancer development. Therefore, I conducted a systematic literature review to further clarify the involvement of eRNAs in cancer. There is strong evidence of eRNA upregulating oncogenes. For instance, the eRNA (CCAT1) upregulates the oncogene MYC in colorectal cancer. Other eRNAs were also found to be required for p53-dependent cell-cycle arrest and tumour inhibition. A study showed the interplay of a long noncoding RNA with eRNAs in p53-regulated enhancers, while another showed p53-bound enhancer regions transcribing an eRNA which mediates G1 arrest, DNA repair, and tumorigenesis through its interaction with the (BRCA2) gene. Finally, a study across numerous cancer patient samples revealed a cancer/lineage specificity of eRNAs and explored the clinical feasibility of eRNA-targeted therapy. These studies demonstrate how eRNAs can be a link in cancer signalling pathways both as a regulator of oncogenes and tumour suppressor genes, as well as suggest a promising future of eRNA-targeted cancer therapy.

Les trois proto-oncogènes RAS, soit HRAS, KRAS et NRAS (H/K/NRAS), sont les gènes les plus fréquemment mutés dans les cancers humains. Les énormes défis liés au ciblage thérapeutique des RAS soulignent la nécessité d’approfondir notre compréhension de la biologie de ces protéines et de trouver des stratégies alternatives pour traiter les cancers qu’elles induisent. Les petites GTPases RAS sont des régulateurs fondamentaux du développement et se lient à des protéines effectrices distinctes pour transmettre des signaux afin de réguler diverses voies de signalisation intracellulaires. Les effecteurs de RAS sont définis par un domaine de liaison à RAS (RBD) qui reconnaît la conformation active de RAS liée au GTP et active les voies de signalisation en aval. Par exemple, les effecteurs RAF et PI3K régulent les voies de signalisation MAPK et PI3K-AKT, respectivement, pour contrôler la prolifération, la survie et la tumorigenése. Alors que RASSF5 dirige RAS vers la voie Hippo, suppresseur de tumeur, mais cela reste moins bien compris. Il est intéressant de noter que la famille des domaines d'association à RAS (RASSF) comprend 10 effecteurs RAS supposés en aval, chacun comprenant un RBD, mais seul le RASSF5 se lie à H/K/NRAS. Les RASSF sont des suppresseurs de tumeurs connus et comptent parmi les protéines les plus fréquemment régulées à la baisse dans les cancers. La superfamille des petites GTPases RAS compte chez l’humain environ 160 protéines regroupées en cinq sous-familles : RAS, RHO, RAN, RAB et ARF. Alors que H/K/NRAS sont les mieux caractérisées et ont été au centre de la recherche sur le cancer, les fonctions cellulaires, la régulation et les protéines effectrices de nombreuses autres GTPases de la superfamille RAS restent obscures. Ma recherche doctorale visait donc à étudier le rôle des effecteurs de RASSF en cartographiant les interactions de BRAF et de quatre protéines de RASSF avec 83 GTPases appartenant aux sous-familles RAS, RHO et ARF et à utiliser ces connaissances pour démêler l'interaction complexe entre les GTPases et les effecteurs. Nous avons abordé des questions clés sur la spécificité des RBD envers les GTPases et avons révélé et validé 39 interactions RASSF-GTPase. Nous avons constaté qu'alors que BRAF démontre une spécificité restreinte pour les H/K/NRAS classiques, RASSF fait preuve de plasticité dans ses interactions avec les GTPases. RASSF5 interagit avec 10 GTPases distinctes de la sous-famille RAS (H/K/NRAS, RAP2B/2C, RRAS1/2, MRAS et RIT1/2) qui favorisent la croissance. La présence d’un complexe RASSF5-GTPase à la membrane plasmique redistribue la protéine YAP dans le cytosol et active la signalisation Hippo. Nous avons également montré que l'interaction de RASSF5 avec les kinases MST est essentielle pour l'activation de la voie Hippo médiée par le complexe RASSF5-GTPase. Nous avons également révélé que RASSF3, RASSF4 et RASSF8 lient les GTPases de la sous-famille RAS inhibitrices de croissance. RASSF8 subit une séparation de type liquide-liquide et réside avec YAP dans des gouttelettes non-membranaires. De plus, l'expression des partenaires GTPase de RASSF8 redistribue les condensats de RASSF8 et YAP de grandes structures périnucléaires. YAP et la voie Hippo entraînent une résistance aux inhibiteurs de RAS dans les cancers induits par RAS. Ainsi, nos découvertes sur l'association de RASSF5 et RASSF8 avec la voie Hippo pourraient aider à élucider les liens manquants entre les signalisations RAS et Hippo. Nous avons également identifié RASSF3 comme le premier effecteur canonique de MIRO1/2, des GTPases mitochondriales essentielles pour le fonctionnement et l'homéostasie des mitochondries. L'interaction de RASSF3 avec MIRO dans les mitochondries entraîne un effondrement du réseau mitochondrial. Pour comprendre la dynamique du réseau des GTPases, nous développons un outil de GTPase piégée inductible par la rapamycine. Ainsi, le piège qui garde la GTPase surexprimée inactive peut être libérée et la GTPase activée de manière conditionnelle en utilisant le traitement à la rapamycine. Cet outil sera utile pour élucider le rôle précis de chaque GTPase dans la régulation des effecteurs en aval in cellulo. Par conséquent, cette étude révèle la nature complexe des interactions entre GTPases et effecteurs et met en lumière l'importance biologique des protéines RASSF. / The three RAS proto-oncogenes, namely HRAS, KRAS and NRAS (H/K/NRAS) are the most frequently mutated genes in human cancers. H/K/NRAS small GTPases are fundamental regulators of development and bind distinct effector proteins to transmit signals to diverse cellular pathways. RAS effectors are defined by a RAS-binding domain (RBD) which recognizes the GTP-bound activated conformation of RAS and activates downstream signalling pathways. For example, RAF and PI3K effectors regulate the MAPK and PI3K-AKT signalling pathways, respectively, to control proliferation, survival and tumorigenesis. Whereas RASSF5 directs RAS to the tumour suppressor Hippo pathway but this remains less understood. Interestingly, the RAS Association domain family (RASSF) comprises 10 purported downstream RAS effectors, each of which comprises an RBD, but only RASSF5 binds to H/K/NRAS. RASSF are known tumour suppressors and are among the most frequently downregulated proteins in cancers. There are approximately 160 proteins in the human RAS superfamily that are clustered into five subfamilies: RAS, RHO, RAN, RAB and ARF. While H/K/NRAS are the best-characterized and have been a principal focus of cancer research, cellular functions, regulation and effectors for many other GTPases of the RAS superfamily remain recondite. My doctoral research therefore aimed to investigate the role of RASSF effectors by mapping the interactions of BRAF and four RASSF proteins with 83 GTPases belonging to the RAS, RHO and ARF subfamilies and use this knowledge to unravel the complex interplay between GTPase and effectors. I uncovered 39 RASSF–GTPase interactions and addressed key questions on RBD specificity towards GTPases. I found that while BRAF demonstrates restricted specificity for classical H/K/NRAS, RASSF shows plasticity in its interaction with GTPases. RASSF5 interacts with 10 distinct growth-promoting GTPases of the RAS subfamily (H/K/NRAS, RAP2B/2C, RRAS1/2, MRAS and RIT1/2). RASSF5–GTPase complex at the plasma membrane redistributes YAP to the cytosol and activates Hippo signalling. I also showed that RASSF5 interaction with MST hippo kinases is essential for RASSF5–GTPase complex-mediated activation of the Hippo pathway. I further revealed that RASSF3, RASSF4 and RASSF8 bind distinct growth-inhibiting RAS subfamily GTPases. RASSF8 undergoes liquid-liquid phase separation and resides in membraneless, phase-separated YAP condensates. Further, the expression of GTPase partners of RASSF8 redistributes RASSF8 and YAP condensates to large peri-nuclear structures. These findings show several GTPase–RASSF complexes play a role in Hippo signalling which may serve as potential therapeutic targets for RAS- or YAP-driven cancers. I also identified RASSF3 as the first canonical effector of MIRO1/2, mitochondrial GTPases that are essential for mitochondrial functions and homeostasis. RASSF3 interaction with MIRO at the mitochondria results in a collapse of the mitochondrial network. To understand the dynamics of the GTPase network, I am further developing a rapamycin-inducible trapped GTPase (RITG) tool, wherein a GTPase can be overexpressed while remaining occluded, and can be conditionally released or activated. This tool can be useful in elucidating the role of GTPases in the regulation of downstream effectors in cellulo. Overall, this study reveals the complex nature of GTPase–effector interactions and uncovers the biological significance of RASSF proteins.

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