Du cerveau à l’os, la rigidité et la composition de la matrice extracellulaire varient énormément et jouent un rôle dans les réponses cellulaires. La rigidité influe également sur la tension de la membrane plasmique, elle-même régulée par le trafic membranaire. Comment la rigidité et la composition du substrat peuvent réguler l'exocytose, qui à son tour régule la tension de la membrane, reste largement inconnu. Ici, j'ai utilisé l’imagerie pHluorin d’évènements uniques d’exocytose de cellules cultivées sur des substrats de rigidité et de composition contrôlée pour explorer la régulation de VAMP2 et VAMP7. J'ai développé un logiciel informatique pour identifier automatiquement les évènements de fusion, permettant une analyse rapide de données. J'ai contribué à l'étude montrant que l’exocytose VAMP7 est régulée par la kinase src, qui phosphoryle VAMP7 dans son domaine Longin (LD) (Burgo et al. JBC 2013). De plus, j’ai trouvé que la rigidité du substrat stimule l’exocytose, en présence de la laminine, de VAMP7, mais pas VAMP7 sans LD ni VAMP2. VAMP7 et VAMP7 sans LD sont par ailleurs également sensibles aux variations de la tension membranaire induites par chocs osmotiques. Enfin, j'ai identifié que LRRK1 est un partenaire du LD, et contrôle le transport rétrograde de VAMP7.Ces approches m’ont permis de révéler un nouveau mécanisme par lequel la rigidité, agissant sur la signalisation des intégrines, contrôle le transport de VAMP7 via LRRK1 et Rab21 (Wang et al. soumis). Ce mécanisme pourrait avoir un large intérêt potentiel pour comprendre la dynamique de la membrane dans des conditions normales et pathologiques, en particulier le cancer / From brain to bones, stiffness and composition of the extracellular matrix vary greatly and play a role in cell responses. Substrate rigidity also impacts plasma membrane tension, which has a close relationship with membrane trafficking. How substrate rigidity and chemistry sensing may regulate exocytosis, which in turn regulates membrane tension, is still largely unknown. Here, I used pHluorin imaging of single vesicle exocytosis in cells cultured on substrates of controlled rigidity and composition to explore the regulation of VAMP2 and VAMP7-mediated exocytosis. I developed a computer software to automatically identify fusion events thus allowing quick analysis of batch data. I contributed to the study showing that VAMP7 exocytosis is regulated by src kinase which phosphorylates VAMP7 in its Longin domain (LD) (Burgo et al. JBC 2013). I further found that VAMP7 but not VAMP7 lacking LD- or VAMP2-mediated secretion was stimulated by substrate stiffness on laminin. VAMP7 and VAMP7 lacking LD were similarly sensitive to osmotic chock-induced membrane tension changes. Finally, i showed that LRRK1, a regulator of egf receptor transport, is a partner of the LD, and controls the retrograde transport of VAMP7. These approaches allowed me to reveal a new mechanism whereby substrate rigidity, by acting on integrin signalling, enhances VAMP7 exocytosis via LRRK1- and Rab21-dependent regulation of its peripheral readily-releasable pool (Wang et al. submitted). This mechanism may have broad potential relevance for plasma membrane dynamics in normal conditions and diseases, particularly cancer

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is an incretin hormone produced by the enteroendocrine L-cell that potently stimulates insulin secretion. Although signaling pathways promoting GLP-1 secretion are well characterized, the mechanism by which GLP-1 containing granules fuse to the L-cell membrane remain elusive. RT-PCR and protein analysis indicate that vesicle-associated membrane protein 2 (VAMP2) is expressed and localized to secretory granules in the murine GLUTag L-cell model. VAMP2, but not VAMP1, interacted with the core SNARE complex protein, Syntaxin 1a, in GLUTag cells. Tetanus toxin (TetX) cleavage of VAMP2 in GLUTag cells prevented glucose-dependent insulinotropic peptide (GIP)- and oleic acid (OA)-stimulated GLP-1 secretion, as well as K+-stimulated exocytosis from GLUTag cells. Although components of membrane rafts were detected in GLUTag cells, their role in GLP-1 secretion remains to be determined. Together, these findings indicate an essential role for VAMP2 in GLP-1 exocytosis from the GLUTag cell.

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is an incretin hormone produced by the enteroendocrine L-cell that potently stimulates insulin secretion. Although signaling pathways promoting GLP-1 secretion are well characterized, the mechanism by which GLP-1 containing granules fuse to the L-cell membrane remain elusive. RT-PCR and protein analysis indicate that vesicle-associated membrane protein 2 (VAMP2) is expressed and localized to secretory granules in the murine GLUTag L-cell model. VAMP2, but not VAMP1, interacted with the core SNARE complex protein, Syntaxin 1a, in GLUTag cells. Tetanus toxin (TetX) cleavage of VAMP2 in GLUTag cells prevented glucose-dependent insulinotropic peptide (GIP)- and oleic acid (OA)-stimulated GLP-1 secretion, as well as K+-stimulated exocytosis from GLUTag cells. Although components of membrane rafts were detected in GLUTag cells, their role in GLP-1 secretion remains to be determined. Together, these findings indicate an essential role for VAMP2 in GLP-1 exocytosis from the GLUTag cell.

Le trafic membranaire est un processus universel qui est essentiel pour la fonction neuronale dans un large spectre de fonctions. De la croissance neuronale et le développement morphologique à la libération des neurotransmetteurs et la plasticité synaptique, il prend en charge l'activité neuronale et donne d'innombrables questions qui animent la recherche sur la neurobiologie d'aujourd'hui. Notamment, l’exocytose des endosomes de recyclage (ER) dans les compartiments somatodendritiques participe à la transmission synaptique et à la potentialisation synaptique à long terme (PLT). Cependant la machine moléculaire sous-tendant l’exocytose des ER reste encore méconnue. Afin d’identifier les protéines SNAREs vésiculaires (v-SNARE) impliquées dans les différentes formes d’exocytose des ER postsynaptiques, nous avons d'abord imagé les protéines VAMP neuronales fusionnées avec la pHluorine, une GFP mutée sensible au pH dans les neurones de l’hippocampe en culture. Nous avons constaté que seulement VAMP2 et VAMP4, mais pas VAMP7, rapportaient des événements d’exocytose somatodendritique dans les neurones matures. Après avoir identifié ces deux protéines candidates, nous avons utilisé la combinaison de différentes techniques de régulation négative chronique ou aiguë pour désactiver leur fonction et observer les conséquences sur l’exocytose des ER, la transmission synaptique basale ou la PLT. Nos résultats suggèrent que VAMP2 est impliqué dans une forme d’exocytose régulée importante pour la PLT, mais pas l’exocytose constitutive des récepteurs AMPA, qui stabilise la transmission basale. VAMP4 est nécessaire pour l'exocytose constitutive d'une grande partie des endosomes, mais l'implication fonctionnelle de ces endosomes doit encore être explorée, car la régulation négative de VAMP4 ne modifie pas la transmission basale. / Membrane trafficking is a universal process that is essential for neuronal function in a wide spectrum of applications. From neuronal growth and morphological development to neurotransmitter release and synaptic plasticity, it supports neuronal activity and gives countless questions that drive today’s neurobiology research. Notably, the trafficking of recycling endosomes (REs) in somatodendritic compartments participates in synaptic transmission and plasticity, such as long-term synaptic potentiation (LTP). However, the fusion machinery mediating RE exocytosis is still unclear. To identify the vesicular SNAREs (v-SNAREs) involved in different forms of postsynaptic RE exocytosis, we first imaged neuronal VAMP proteins fused with pH-sensitive pHluorin in cultured hippocampal neurons, and found that only VAMP2 and VAMP4, but not VAMP7, underwent somatodendritic exocytosis in mature neurons. After identifying these two candidate proteins, we used a combination of different downregulation techniques to chronically or acutely deactivate their function and observe consequences on REs exocytosis, basal synaptic transmission and LTP. Our results suggest that VAMP2 is involved in activity-regulated exocytosis important for LTP, but not constitutive postsynaptic AMPARs exocytosis, supporting basal transmission. VAMP4 is required for constitutive exocytosis of at least a large proportion of REs, but the functional implication of these endosomes still need to be explored, as VAMP4 downregulation did not alter basal synaptic transmission.

Le maintien de l’homéostasie passe notamment par la sécrétion d’hormones provenant des cellules neuro-endocrines ou endocrines telles que les cellules chromaffines ou les cellules b pancréatiques. Par exemple, la régulation de la glycémie nécessite l’exocytose de l’insuline depuis les cellules b pancréatiques des îlots de Langerhans. Une famille de protéines membranaires est au cœur de la machinerie de fusion d’une vésicule avec la membrane plasmique. Ce groupe appelé, la famille des protéines SNARE est composé de trois protéines. VAMP2 est localisée à la membrane vésiculaire alors que syntaxine 1A et SNAP25 sont localisées à la membrane plasmique. Syntaxine 1A et VAMP2 ont un domaine transmembranaire alors que SNAP25 est reliée à la membrane par prénylation de résidus cystéine. Cette famille forme le complexe cytosolique SNARE décrit comme essentiel à l’exocytose. La structure et la fonction du complexe cytosolique ont été étudiées en profondeur et ont mené au modèle du « zipper ». Celui-ci décrit un enroulement progressif des domaines cytosoliques SNARE permettant l’apposition des membranes puis la fusion. Le rôle des domaines transmembranaires reste encore peu décrit. Pourtant, leur étude est nécessaire afin d’établir un modèle complet de la fusion membranaire par les protéines SNARE. Nous avons donc mené une étude alliant une analyse structurale dynamique à une analyse biologique pour déterminer l’importance du domaine transmembranaire de VAMP2 dans la sécrétion. L’analyse biologique représente donc le centre de ma thèse. Le système biologique utilisé est basé sur l’extinction de l’expression de la protéine VAMP2 endogène et l’expression concomitante d’une protéine VAMP2 mutée dans son domaine transmembranaire. Deux lignées cellulaires considérées comme des modèles dans l’étude de la sécrétion hormonale et du trafic vésiculaire ont servi de support à notre étude. Par des approches de microscopies (confocal, TIRF) et d’analyses biochimiques, nous avons observé les conséquences fonctionnelles des mutations ponctuelles, établis par mutagénèse dirigée, sur le trafic vésiculaire et sur la capacité des cellules à sécréter.Les mutations induites présentent différents effets cellulaires. Certaines bloquent la sortie de VAMP2 du réseau golgien alors que d’autres ont un effet important sur la sécrétion hormonale et plus précisément sur l’exocytose. Les études structurales ont permis de corréler ces effets avec une diminution de la flexibilité structurale dans le cas de la diminution de l’exocytose, ou avec une restriction à la conformation hélice alpha dans le cas du sorting. Ce projet pluridisciplinaire a pu mettre en avant le rôle biologique du domaine transmembranaire de VAMP2 au cours de l’exocytose probablement soutenue par la dynamique conformationelle unique observée par le versant structural du projet. / The hormonal secretion plays a key role in the maintenance of homeostasis. For example, the maintenance of normoglycaemia requires insulin exocytosis from the pancreatic beta cells. The SNARE membrane family protein has been described as the core machinery of fusion between the vesicle containing hormones and the plasma membrane. This family consists of 3 different membrane proteins that are essential during exocytosis. VAMP2 is localized on the vesicle and Syntaxin 1A - on the plasma membrane. They both are transmembrane protein whereas SNAP25 is linked to the plasma membrane by palmitoylation. The SNAREs appear to be essential as they form the cytosolic SNARE complex to dock the vesicle to the plasma membrane. Even though the role of this cytosolic domain has been studied in depth, much less is known on the role of their transmembrane domain during the fusion. Their study remains necessary to establish a complete model of membrane fusion mediated by the SNARE proteins.Here, we have studied the behavior and the role of the SNARE transmembrane domain during exocytosis. In a multidisciplinary project, we have combined a structural approach with a biological study to evaluate the role of this domain. Using mutagenesis in the transmembrane domain of VAMP2 and a cellular system with a clean background, we have assessed the effect of mutations on the secretion and exocytosis in two different cell lines (INS1E and PC12). The biological system is based on the silencing of endogenous VAMP2 and reconstitution of the expression of VAMP2 wt or mutated in the transmembrane domain. Using biochemistry assay and TIRF microscopy we have shown that mutations in this domain can lead to a missorting of the Golgi apparatus or a reduction of the stimulated secretion and exocytosis. This effect can be correlated to a modification of the structural dynamics of this domain.The obtained results clearly demonstrate the role of the transmembrane domain of VAMP2 during exocytosis probably sustained by its unique structural dynamics observed by physico-chemistry.

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.

La v-ATPase est une pompe à protons. Elle permet l’acidification d’organelles, ce qui est indispensable à de nombreux processus cellulaires. Cette enzyme est composée de 14 sous-unités différentes, organisées en deux domaines, le domaine catalytique V1 et le domaine membranaire V0. La sous-unité a du domaine V0 est essentielle au transport des protons. Il en existe 4 isoformes (a1 à a4) et des variants d’épissage (a1-I à a1-IV pour a1) permettant à la v-ATPase d’être adressée vers différents compartiments et donc d’être impliquée dans différents processus. Deux projets visant à étudier cette sous-unité ont été réalisés.En plus de son rôle dans le transport des protons, il a été montré que le domaine V0 de la v-ATPase est impliqué dans des évènements de trafic membranaire, tel que l’exocytose de vésicules de sécrétion. Ce rôle semble nécessiter des interactions avec les protéines SNAREs. J’ai montré, pendant la première partie de ma thèse, que les sous-unités flag-a1-I et flag-a1-IV sont toutes deux adressées aux granules de sécrétion de cellules neurosécrétrices et interagissent avec les protéines SNAREs VAMP2 et syntaxine-1. De façon intéressante la syntaxine-1 semble interagir préférentiellement avec la sous-unité a1-I qui dans les neurones est l’isoforme adressée aux terminaisons nerveuses. Les sous-unités a1-IV ne diffèrent d’a1-I que par l’ajout de 7 acides aminés dans sa moitié N-terminale. Le domaine d’interaction de la sous-unité a avec la syntaxine-1 semble donc être localisé dans cette région.Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai mis en évidence et étudié l’expression de la sous-unité rénale a4 dans des gliomes humains. Ces tumeurs sont les tumeurs cérébrales les plus fréquentes et sont en général associées à un mauvais pronostic. L’OMS distingue, en fonction de paramètres histologiques, les astrocytomes (de grade I à IV), les oligodendrogliomes et les gliomes mixtes (chacun de grade II ou III). Cette classification est controversée, notamment à cause de son manque de reproductibilité, et la prise en compte de marqueurs moléculaires semble s’imposer comme une solution pour la renforcer.J’ai quantifié par RT-PCR quantitative l’expression du gène ATP6V0A4 (codant la sous-unité a4) dans 188 prélèvements de gliomes humains. Nous avons ainsi montré que l’expression de la sous-unité a4 peut être utilisée comme marqueur diagnostique des oligodendrogliomes anaplasiques (35 % l’expriment). Dans un prélèvement, la présence de la codélétion 1p/19q et l’expression de a4, tout deux marqueurs indépendants des oligodendrogliomes, permettra le renforcement du diagnostique oligodendrogliome anaplasique. De plus a4 est fréquemment exprimée par les astrocytomes pilocytiques (70%), où elle est associée à la duplication en tandem de la région chromosomique 7q34 située à proximité directe du gène ATP6V0A4. Enfin une observation prometteuse est que l’expression de a4 pourrait être un marqueur de mauvais pronostic pour les patients atteints d’oligodendrogliome anaplasique ne présentant pas la co-délétion 1p/19q, observation qui devra être confirmée sur une plus grande cohorte de patients. / Vacuolar type H+-ATPase is a proton pump, which acidifies numerous organelles, crucial for many cellular processes. This enzyme is composed of 14 different subunits organized in two domains, a catalytic V1 domain and a V0 membrane domain. The a-subunit of V0 is essential for proton transport. There are 4 isoforms of a (a1 to a4) and splicing variants (a1-I to a1-IV for the a1 subunit). v-ATPases containing different a-subunit isoforms are localized in different compartments allowing v-ATPase to participate in different processes. The a-subunits were studied in this work in two distinct projects.Besides its role in proton pumping, V0 domain of v-ATPase is implicated in organelles trafficking events, like vesicles exocytosis. This role seems to require interactions of V0 with SNARE proteins. During my thesis work, I showed that flag-a1-I and flag-a1-IV are both targeted to secretion granules in PC12 neurosecretory cells. These subunits interact with the SNARE proteins VAMP2 and syntaxin-1. Interestingly, syntaxin-1 seems to preferentially interact with the a1-I subunit, isoform which in neurons is sorted to nerve terminals. The only difference between a1-I and a1-IV subunits is the addition of 7 amino acids in the N-terminal half of a1-IV. So syntaxin-1 probably interacts with a1-I at this location. In a second project, I studied the expression of the renal a4-subunit in human gliomas. These tumors are the most frequent brain tumors and are generally associated with a poor prognosis. Based on histological parameters,WHO distinguishes, astrocytomas (grade I to IV), oligodendrogliomas and oligoastrogliomas (each of grade II or III). This classification suffers of a lack of reproducibility, which could be overcome by the identification of specific molecular markers.In the present work, by real time quantitative PCR, ATP6V0A4 gene (encoding the renal a4) expression was quantified in 188 human glioma biopsies. We established a4 expression as a new marker of grade III oligodendrogliomas (35 % express it), independent of the 1p/19q codeletion, an established marker of oligodendrogliomas. Moreover, a4 is expressed in 70% of pilocytic astrocytomas, in which it is associated with the tandem duplication of 7q34, localized at direct proximity of the ATP6V0A4 gene. Of promising interest is the observation that a4 expression could be considered as a bad prognostic marker for patients with 1p/19q non-deleted oligodendrogliomas, an observation that should be confirmed on larger cohorts of patients.