Le virus T lymphotrope humain de type 1 (HTLV-1, Human T-cell Leukemia Virus type 1) est le premier rétrovirus oncogène humain à avoir été découvert. Sa protéine régulatrice Tax est la principale responsable du processus d’immortalisation et de transformation des lymphocytes T, cibles préférentielles d’HTLV-1 in vivo, qui est associé au développement de leucémies à cellules T de l’adulte. Ce mécanisme oncogénique est dû à la capacité de Tax à interagir avec de nombreux acteurs cellulaires, détournant ainsi différentes voies qui contrôlent notamment la prolifération et la survie des cellules. L’un des événements majeurs de ce mécanisme est l’activation constitutive de la voie NF-κB induite par Tax. Notre laboratoire ainsi que d’autres équipes ont montré que l’ubiquitinylation de Tax, notamment avec des chaînes liées en K63, est nécessaire pour que Tax recrute et active le complexe IKK (IκB Kinase), en se liant à sa sous-unité régulatrice NEMO dans le cytoplasme. Par ailleurs, il a également été décrit que Tax est SUMOylée ce qui lui permet de recruter les dimères NF-κB dans des corps nucléaires pour activer la transcription de leurs gènes cibles. Toutefois, de nombreuses interrogations persistent autour de l’implication et du mode d’action de chacune de ces modifications post-traductionnelles de Tax dans l’activation de la voie NF-κB. L’importance de la SUMOylation de Tax a en effet été remise en cause par notre laboratoire, suscitant une controverse qui nous décida à réexaminer complètement son rôle dans l’activation de la voie NF-κB. Pour cela, nous avons élaboré une nouvelle stratégie basée sur l’inhibition de la machinerie de SUMOylation endogène, grâce au blocage de l’unique enzyme E2 identifiée dans ce processus, l’enzyme Ubc9. Nous avons prouvé qu’une protéine Tax non SUMOylée, mais toujours ubiquitinylée, active la transcription à partir de promoteurs dépendants de NF-κB, qu’ils soient transfectés, intégrés stablement dans la chromatine cellulaire ou endogènes, démontrant ainsi que la SUMOylation de Tax n’est pas nécessaire à l’activation de la voie NF-κB, contrairement à son ubiquitinylation. Un autre point de questionnement concerne l’association de Tax au complexe NEMO/IKKα/IKKβ, pour laquelle l’ubiquitinylation de Tax est essentielle. Nous avons étudié l’implication de l’enzyme TRAF5 dans ces mécanismes, qui semblait être une potentielle E3 ligase de Tax, celle-ci restant encore inconnue. Grâce au blocage de TRAF5, nous avons montré que cette protéine interagit avec Tax et qu’elle est nécessaire à son ubiquitinylation, notamment avec des chaînes K63, sans toutefois que son activité ligase n’entre en jeu, excluant donc son rôle en tant qu’E3 ligase de Tax. Nous avons également découvert que TRAF5 induit la formation du complexe Tax/IKKα/IKKβ, mais n’est pas impliquée dans l’association Tax/NEMO, dessinant alors un nouveau modèle pour le recrutement et l’activation du complexe IKK par Tax. Ce travail permet donc d’apporter un nouvel éclairage sur l’impact de la SUMOylation et de l’ubiquitinylation de Tax dans l’activation de la voie NF-κB et de décrypter les étapes de cet événement crucial dans le mécanisme oncogénique déclenché par la protéine Tax du virus HTLV-1. / The Human T-cell Leukemia Virus type I is the first human oncoretrovirus discovered. The regulatory Tax protein is the main responsible of the immortalization process of primary CD4+ T lymphocytes, the preferential target cells of HTLV-1 in vivo, which is associated with adult T-cell leukemia/lymphoma (ATLL), a highly aggressive malignant proliferation of CD4+ T lymphocytes. The oncogenic property of Tax is mainly due to its capacity to interact with many different cellular proteins belong to several pathways which control cell proliferation and survival. Constitutive activation of the NF-κB pathway induced by Tax plays a crucial role in this oncogenic mechanism. Our laboratory, and others, demonstrated that Tax ubiquitination, notably with K63-linked ubiquitin (Ub) chains, is required for the activation of the cytoplasmic IκB kinase (IKK) complex by directly interacting with the regulatory subunit NEMO. Moreover, in previous studies, we and others describe that Tax is also conjugated to either SUMO-1 or SUMO-2/3 molecules which facilitates its interaction with the NF-κB dimers in particular structures named Tax nuclear bodies, inducing promoter activation of target genes in the nucleus. However, many questions remain concerning the exact role of each Tax post-translational modification in the NF-κB pathway activation process. In the laboratory, we recently reconsidered the importance of Tax SUMOylation, provoking a controversy in our field. So, we decided to reexamine the role of this modification on NF-κB activation. To do this, we designed a novel strategy based on the inhibition of the endogenous SUMOylation machinery by blocking or silencing Ubc9, the unique E2-conjugating enzyme involves in this process. We found that an ubiquitinated but not SUMOylated Tax protein is still able to activate a transfected, an integrated or an endogenous NF-κB promoters, demonstrating that Tax SUMOylation is not required for Tax induced NF-κB pathway activation contrary to its ubiquitination. Another interrogation concerning the formation of the Tax/NEMO/IKKα/IKKβ complex, in which Tax ubiquitination is critical. We studied the role of TRAF5 in these mechanisms because this enzyme could be a potential Ub E3-ligase of Tax, which remains unknown. Thanks to the blockage of TRAF5, we showed that this protein interacts with Tax and that TRAF5 is necessary for Tax ubiquitination, notably with K63-linked Ub chains. However, TRAF5 is not the direct E3-ligase of Tax since we demonstrated that its ligase activity is not involved in Tax conjugation to ubiquitin. We also discovered that TRAF5 induces the formation of the Tax/ IKKα/IKKβ complex but not the association between Tax and NEMO, showing a new model for the recruitment and the activation of the IKK complex by Tax. In conclusion, our results led us to propose a new light on the impact of Tax SUMOylation and ubiquitination in the NF-κB pathway activation and to figure out the different steps of this process, which is crucial for the oncogenic mechanism induced by the HTLV-1 Tax protein.

Le virus T lymphotrope humain de type 1 (HTLV-1, Human T cell Leukemia Virus type 1) est l'agent responsable de la leucémie à cellules T de l'adulte, une prolifération maligne de lymphocytes T CD4+. L'activation constitutive de la voie NF-kB dans les lymphocytes T exprimant la protéine virale Tax s'est révélée primordiale pour la prolifération et la transformation induites par HTLV-1. Selon le modèle classique, Tax agit à deux niveaux de la voie NF-kB. Dans le cytoplasme, Tax active constitutivement le complexe IKK (IKB Kinase) en se liant à sa sous-unité régulatrice NEMO/IKKy. Dans le noyau, Tax interagit directement avec les dimères NF-kB dans des corps nucléaires Tax. L'ubiquitinylation et la SUMOylation de Tax ont été initialement décrites comme nécessaires pour l'activation de la phase cytoplasmique et de la phase nucléaire respectivement. Cependant, les mécanismes régulateurs des modifications post-traductionnelles de Tax restent difficiles à identifier car il n'a pas été possible d'étudier séparément l'ubiquitinylation et la SUMOylation de Tax.Au laboratoire, nous avons généré et caractérisé fonctionnellement un nouveau mutant de Tax qui nous a permis de découpler les rôles de l'ubiquitinylation et de la SUMOylation de Tax. Tax- P79AQ81A est ubiquitinylé de façon quantitativement similaire à Tax mais présente une forte réduction (80%) de SUMOylation. De plus, Tax-P79AQ81A ne forme pas de corps nucléaires. Néanmoins, ces deux défauts ne semblent pas préjudiciables pour la capacité du mutant à activer la voie NF-KB non seulement dans des lignées cellulaires mais également dans des lymphocytes T CD4+ primaires. En parallèle, nous avons montré que les corps nucléaires Tax sont rarement présents dans des lymphocytes T chroniquement infectés par HTLV-1, renforçant l'idée que ces structures ne sont pas requises pour l'activation de la voie NF-KB et probablement pas pour les autres fonctions de Tax. Enfin, nous avons démontré que les capacités d'activation de la voie NF-KB de différents mutants de Tax sont fortement corrélées à leur niveau d'ubiquitinylation mais pas de SUMOylation, confirmant que l'ubiquitinylation de Tax est la modification essentielle pour l'activation de la voie NF-KB.Le virus HTLV-2 ne possède pas les propriétés transformantes du virus HTLV-1 et les propriétés de la protéine Tax2 comparées à celles de Tax1 pourraient être à l'origine des différences de pathogénicité entre les deux virus. Notre étude a révélé que, de façon surprenante, l'activation de la voie NF-KB par la protéine Tax2 est non seulement indépendante de la SUMOylation et de la formation des corps nucléaires comme pour Tax1, mais également indépendante d'une quelconque ubiquitinylation, suggérant des mécanismes différents d'activation du complexe IKK parTax1 et Tax2.Nos études, aussi bien de la protéine Tax1 que de la protéine Tax2, nous ont donc permis de revisiter le modèle actuel d'activation de la voie NF-kB en démontrant l'impact mineur de la SUMOylation et en révélant une différence majeure en ce qui concerne le rôle de l'ubiquitinylation, distinguant les virus HTLV-1 et HTLV-2

Large signalosome assembly is a prerequisite for NF-κB signaling upon engagement of various immunoreceptors. Adaptor proteins containing protein-protein interaction domains oligomerise in response to such stimuli in order to propagate signaling. Each immunoreceptor uses distinct adaptors, as well as common ones, to achieve that. The main characteristic shared by these proteins is their ability to undergo poly-ubiquitinylation in a non-degradative manner, leading to optimal NF-κB activation. In this work, we aimed to identify novel deubiquitinylating enzymes that control ubiquitinylation status. That is how USP34 came up to be a negative regulator of NF-κB signaling in TCR-activated Jurkat cells, a T lymphocyte cell line. Our data suggest a model whereby USP34 prevents excessive NF-κB activation by acting rather late, directly or indirectly on the NF-κB:IκBα dimers, downstream of IKK, altering transcription factor DNA binding affinity. In parallel, studies of the endocellular membrane microenvironment that hosts mature signalosomes in response to TCR-, TNFR- and CD40 ligation led to the identification of an ER-residing protein, Metadherin (MTDH), which seems to globally integrate signaling before forwarding it to downstream pathway components able to activate IKK.

Le facteur de transcription NF-κB régule l’expression d’une pléthore de gènes impliqués dans divers processus physiologiques notamment la prolifération et la survie cellulaires, l’inflammation ainsi que les réponses immunes. Il intervient également dans de nombreux processus pathologiques à l’exemple de certains cancers et maladies auto-immunes.L’activation de NF-κB suite à l’engagement de différents immunorécepteurs requiert la mise en place de larges signalosomes formés suite au recrutement de différents adaptateurs au niveau des immunorécepteurs engagés. Ces adaptateurs subissent des ubiquitinations non-dégradatives nécessaires pour la transduction du signal. Nous avons démontré dans un précédent travail que ces protéines ubiquitinylées s’accumulent au niveau de la membrane du réticulum endoplasmique (RE) via la protéine réticulaire Métadhérine (MTDH). De plus, nos résultats suggèrent que l’ubiquitination est un prérequis nécessaire à l’adressage de ces protéines au RE. Afin d’évaluer la contribution des E3 ubiquitine ligases en charge de relayer NF-κB au niveau des organites, nous avons effectué le crible d’une banque de siRNAs dirigés contre les 46 E3 ligases transmembranaires en utilisant comme modèle la signalisation du TNF récepteur. Ce crible nous a permis d’identifier l’E3 ligase RNF121 comme régulateur positif de NF-κB. Bien que le mécanisme d’action de RNF121 ne soit pas complètement élucidé, nos données suggèrent qu’il agirait au niveau de la régulation de l’inhibiteur de NF-κB « IκBα ».Durant la deuxième partie de cette thèse, je me suis intéressée à la dynamique mitochondriale. Les mitochondries sont des organites dynamiques, dont la forme est maintenue grâce à une balance entre deux processus antagonistes appelés : fission et fusion. Il a été rapporté qu’en présence de certains stress modérés, les mitochondries hyperfusent, ce processus est appelé SIMH (Stress-Induced Mitochondrial Hyperfusion). Nous avons pu démontrer que la SIMH s’accompagne de l’activation de la voie canonique du facteur de transcription NF-κB via l’E3 ubiquitine ligase mitochondriale MULAN. Nos résultats suggèrent que durant le SIMH, MULAN forme un complexe avec TRAF2 et module son ubiquitination. Ces résultats suggèrent que la mitochondrie, de part sa dynamique, convertie un signal de stress en un signal de survie via l’activation de NF-κB. Pris dans leur ensemble, nos résultats illustrent la complexité de la régulation de NF-κB par ubiquitination et attribuent aux organites un nouveau rôle dans la transduction de la signalisation. / The transcription factor NF-κB regulates the expression of several genes implicated in various physiological processes such as cell proliferation and survival, inflammation and immune responses. Dysregulation of its activation is involved in diverse pathologies such as cancer and auto-immune diseases. Following the engagement of immunoreceptors, NF-κB signaling requires a large signalosome assembly containing different adaptor proteins. These adaptors undergo poly-ubiquitinylation in a non-degradative manner, which is essential for signal transduction. We demonstrated in previous work that these ubiquitinylated proteins accumulate at the surface of the endoplasmic reticulum (ER) via a reticular protein called “Methaderin” (MTDH). Furthermore, our results suggest that ubiquitinylation is a necessary prerequisite for protein addressing to the ER. To evaluate the contribution of E3 ubiquitin ligases in this process we performed a screen of a siRNA bank, targeting the 46 human transmembrane E3 ligases, using the TNF receptor signaling as a model. This screen enabled the identification of RNF121, a Golgi E3 ligase, as a positive regulator of NF-κB. Although the mechanism by witch RNF121 acts is not yet elucidated, our data suggest that it acts on the regulation of NF-κB inhibitor (IκBα). In the second part of this thesis, we investigated mitochondrial dynamics. Mitochondria are dynamic organelles; their shape is maintained due to a balance between two antagonist processes called: fusion and fission. It is known that moderate stress triggers mitochondrial hyperfusion, this process is called: SIMH (Stress-Induced Mitochondrial Hyperfusion). During this thesis, we demonstrated that SIMH is accompanied by NF-κB activation through the mitochondrial E3 ubiquitin ligase MULAN. Our results suggest that during SIMH, MULAN forms a complex with the protein TRAF2 and modulates its ubiquitinylation to allow NF-κB signaling transduction. This work shows that, through their dynamics, mitochondria convert stress signals into a prosurvival response via NF-κB activation.In summary, our results illustrate the complexity of the ubiquitin-dependant regulation of NF-κB and attribute a new role in signaling transduction to the organelles.

L’ubiquitinylation a été largement étudiée comme étant un mécanisme impliqué dans la régulation du trafic intracellulaire de nombreuses protéines membranaires. Mon travail a permis d’identifier MARCH-IX, une ubiquitine ligase exprimées dans les cellules de mammifères, comme un acteur important du trafic intracellulaire des molécules de présentation antigénique CD1a et CMH-I. En condition d'over-expression, MARCH-IX ubiquitinyle spécifiquement CD1a et CMH-I. Par ailleurs, en utilisant la technique d’ARN interférence, nous avons mis en évidence que l’ubiquitination des CMH I dépendante de MARCH IX facilite l’export des CMH I néosynthétisés du TGN vers la membrane plasmique et permet leur accès à des compartiments endosomaux. Notamment l’expression de MARCH-IX est régulée au niveau transcriptionnel pendant la maturation de DCs humaine; son expression est largement diminuée suite à l’activation des DCs plasmacytoïdes (pDCs), alors qu’elle augmente dans des DCs dérivées de monocytes (MoDCs) stimulées par du LPS. Ces résultats laissent envisager que MARCH IX puisse avoir un rôle important dans le contrôle de la présentation antigénique médiée par les CMH I dans les DCs humaines. Enfin, l’adressage intracellulaire des molécules de CD1a dans les MoDCs apparait également comme un processus régulé au cours de la maturation. Si CD1a est localisé à la membrane plasmique et dans des compartiments endosomaux précoce dans des cellules immatures, cette molécule n’apparaît plus qu’à la surface des cellules matures. Nous postulons donc que la régulation de MARCH-IX durant la maturation des MoDCs puisse être directement liée à la modification du trafic intracellulaire de CD1a. / Ubiquitination has been largely studied as regulator of the intracellular trafficking of several membrane proteins, inducing their internalization or their sorting from TGN to endosomes. Interestingly, pathogens adopted this mechanism to evade the immune response. For example, Kaposi’s sarcoma herpesvirus synthesizes two ubiquitin ligases, MIR1 and MIR2, which target the antigen presenting molecule, MHC class I, inducing its internalization. We identified the mammalian ubiquitin ligase MARCH-IX as important factor in the intracellular trafficking of antigen presenting molecules, CD1a and MHC-I. In conditions of MARCH-IX over-expression, CD1a and MHC-I are ubiquitinated and they accumulated in early endosomes. In MARCH-IX silenced cells, the arrival of MHC-I at the plasma membrane appear to be delayed and MHC-I accumulates in the TGN. During dendritic cell maturation, MARCH-IX expression and CD1a intracellular localization showed a correlation, which is compatible with a role of the ubiquitin ligase in the export pathway of CD1a. We concluded that MARCH-IX acts on neo-synthesized molecules, facilitating their sorting from the TGN. In addition to the function analysis of MARCH-IX, we also investigated its ability to conjugate ubiquitin on non-conventional residues. Our results demonstrated that, differently from viral ubiquitin ligases, MARCH-IX could target MHC class I and CD1a only in presence of lysine residues on their cytoplasmic tail, suggesting a stronger restriction in the control of the ubiquitination mechanism on mammals.

Le virus T lymphotrope humain de type 1 (HTLV-1, Human T cell Leukemia Virus type 1) est l'agent responsable de la leucémie à cellules T de l'adulte, une prolifération maligne de lymphocytes T CD4+. L'activation constitutive de la voie NF-kB dans les lymphocytes T exprimant la protéine virale Tax s'est révélée primordiale pour la prolifération et la transformation induites par HTLV-1. Selon le modèle classique, Tax agit à deux niveaux de la voie NF-kB. Dans le cytoplasme, Tax active constitutivement le complexe IKK (IKB Kinase) en se liant à sa sous-unité régulatrice NEMO/IKKy. Dans le noyau, Tax interagit directement avec les dimères NF-kB dans des corps nucléaires Tax. L'ubiquitinylation et la SUMOylation de Tax ont été initialement décrites comme nécessaires pour l'activation de la phase cytoplasmique et de la phase nucléaire respectivement. Cependant, les mécanismes régulateurs des modifications post-traductionnelles de Tax restent difficiles à identifier car il n'a pas été possible d'étudier séparément l'ubiquitinylation et la SUMOylation de Tax.Au laboratoire, nous avons généré et caractérisé fonctionnellement un nouveau mutant de Tax qui nous a permis de découpler les rôles de l'ubiquitinylation et de la SUMOylation de Tax. Tax- P79AQ81A est ubiquitinylé de façon quantitativement similaire à Tax mais présente une forte réduction (80%) de SUMOylation. De plus, Tax-P79AQ81A ne forme pas de corps nucléaires. Néanmoins, ces deux défauts ne semblent pas préjudiciables pour la capacité du mutant à activer la voie NF-KB non seulement dans des lignées cellulaires mais également dans des lymphocytes T CD4+ primaires. En parallèle, nous avons montré que les corps nucléaires Tax sont rarement présents dans des lymphocytes T chroniquement infectés par HTLV-1, renforçant l'idée que ces structures ne sont pas requises pour l'activation de la voie NF-KB et probablement pas pour les autres fonctions de Tax. Enfin, nous avons démontré que les capacités d'activation de la voie NF-KB de différents mutants de Tax sont fortement corrélées à leur niveau d'ubiquitinylation mais pas de SUMOylation, confirmant que l'ubiquitinylation de Tax est la modification essentielle pour l'activation de la voie NF-KB.Le virus HTLV-2 ne possède pas les propriétés transformantes du virus HTLV-1 et les propriétés de la protéine Tax2 comparées à celles de Tax1 pourraient être à l'origine des différences de pathogénicité entre les deux virus. Notre étude a révélé que, de façon surprenante, l'activation de la voie NF-KB par la protéine Tax2 est non seulement indépendante de la SUMOylation et de la formation des corps nucléaires comme pour Tax1, mais également indépendante d'une quelconque ubiquitinylation, suggérant des mécanismes différents d'activation du complexe IKK parTax1 et Tax2.Nos études, aussi bien de la protéine Tax1 que de la protéine Tax2, nous ont donc permis de revisiter le modèle actuel d'activation de la voie NF-kB en démontrant l'impact mineur de la SUMOylation et en révélant une différence majeure en ce qui concerne le rôle de l'ubiquitinylation, distinguant les virus HTLV-1 et HTLV-2 / Human T cell Leukemia Virus type 1 (HTLV-1) is the etiological agent of adult T-cell leukemia (ATL), a CD4+ T-cell malignancy, Constitutive activation of the NF-KB pathway plays a crucial role in cell proliferation and transformation induced by HTLV-1, According to the classical model, Tax acts at two levels on the NF-KB pathway, In the cytoplasm, Tax activates the IKB kinase (IKK) complex by directly interacting with the regulatory subunit NEMO/IKKy, In the nucleus, Tax directly interacts with the NF-KB dimers in particular structures named Tax nuclear bodies, Both ubiquitinylation and SUMOylation were initially considered as critical for activation of the cytoplasmic or nuclear phase, respectively, However, the individual role of each modification was difficult to assess because of the lack of molecular tools allowing to study Tax ubiquitination and SUMOylation separately,In the laboratory, we functionally characterized a new Tax mutant, Tax-P 7 9AQ81A, which gave us the opportunity to uncouple Tax ubiquitination and SUMOylation, Indeed, Tax-P79AQ81A is ubiquitinated similarly to wild-type Tax but is severely reduced in SUMOylation, In addition, Tax- P 7 9AQ81A does not form nuclear bodies, However, despite these two severe defects, we found that the mutant is fully able to activate the NF-KB pathway not only in cells lines but also in CD4+ primary T cells, Moreover we showed that Tax nuclear bodies are hardly present in HTLV-1 chronically infected T cell lines, confirming the idea that these structures are not required for Tax-induced NF-KB activation and probably for other Tax functions, Finally, we demonstrated that ability of different Tax mutant to activate the NF-KB pathway is strongly correlated with their ubiquitination but not SUMOylation level, confirming that ubiquitination is the key Tax modification required for activation of the NF-KB pathway,In contrast to HTLV-1, the related HTLV-2 virus is not a transforming virus and therefore, the properties of the Tax2 protein compared to that of Tax1 could be responsible for the different pathogenicity of HTLV-2 and HTLV-1, We studied the post-translational modifications of Tax2 and surprisingly, found that Tax2-induced NF-KB activation is not only independent of SUMOylation and nuclear body formation but also of ubiquitination, suggesting different mechanisms of activation of the IKK complex by Tax1 and Tax2,In conclusion, our results led us to propose a new model for both Tax1- and Tax2-induced NF- KB activation in which SUMOylation has a minor role and in which the requirement of Tax ubiquitination distinguishes between HTLV-1 and HTLV-2