Durant ce travail, deux approches ont été explorées. <br /> Dans la première, j'ai quantifié le dégonflement osmotique de liposomes remplis d'un gel d'agarose. La fabrication de tels systèmes reconstitués vise à permettre de mimer le comportement de cellules soumises aux mêmes contraintes. En particulier, j'ai observé que ces liposomes fonctionnalisés acquièrent des morphologies crénelées lors de leur dégonflement pour une concentration du gel comprise entre 0.07 et 0.18 % en masse. Ces formes originales ressemblent à celles d'échinocytes parfois prises par les globules rouges. Le gel est responsable de l'apparition de ces formes, ne modifie pas les cinétiques de dégonflement mais sa pression élastique arrête précocement le dégonflement comparativement aux liposomes aqueux, mettant en évidence un phénomène de rétention d'eau.<br /> Dans la deuxième approche, j'ai étudié l'effet de contraintes hydrodynamiques sur des amibes Dictyostelium adhérentes à un substrat et ai quantifié la réorganisation mécanosensible du cytosquelette de ces cellules vivantes. Pour obtenir les cinétiques de relocalisation de protéines majeures du cytosquelette en réponse aux forces d'un flux, j'ai marqué l'actine et la myosine-II avec des protéines fluorescentes et ai fabriqué une chambre à flux permettant de changer rapidement la direction du flux. J'ai montré que les cellules s'orientent contre les forces du flux et se réorientent contre en inversant leur polarité après une inversion du flux : d'abord l'actine dépolymérise puis des protrusions sont émises contre les nouvelles forces mécaniques, et 15 sec plus tard, l'arrière rétracte en utilisant la myo-II. De plus, la contractilité du système actine-myosine n'est pas nécessaire pour sentir les forces. Des expériences similaires en inversant la direction d'un gradient de chimioattractants montrent que ce processus de réorientation cellulaire n'est pas spécifique d'expériences sous flux. Ce travail met en évidence l'existence d'un signal inhibiteur rapide menant à la dépolymérisation de l'actine, signal qui n'est pas pris en compte dans les modèles actuels expliquant la réponse chimiotactique. Enfin, les outils de visualisation que j'ai développés permettent d'étudier le rôle de protéines et de structures cellulaires dans la mécanotransduction.

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades. / Fertilization in plants depends on the delivery of the sperm cells in the pollen grain through the pollen tube to the ovule. The pollen tube is a highly anisotropic, fast growing cellular protuberance. Because the pollen tube is non autotrophic, it requires a steady supply of carbohydrates and minerals supplied by the pistil to sustain its growth. These elements serve for the synthesis of cell wall material, delivered to the site of cell wall assembly in secretory vesicles that are transported along the actin cytoskeleton and deposited at the growing apex of the tube. The tube has to resist external deformation forces in order to maintain its cylindrical shape and to respond to various directional signals in order to reach its target. My objectives were to identify the role of the cytoskeleton in the anisotropic growth of the pollen tube and to determine how the tube responds to directional cues. The cytoskeleton in the pollen tube consists of microfilaments and microtubules, both forming long filamentous elements. For in vitro growing pollen tubes, carbohydrates and growth minerals have to be added to the growth medium in specific amounts order to sustain pollen tube growth. I optimized the growth conditions of Arabidopsis thaliana and Camellia japonica pollen tubes which, in addition to pollen from Lilium longiflorum, were used as model species for my experiments. I developed a microwave based, fast and efficient fixation and labelling protocol for pollen tubes. I used pharmacological, mechanical, molecular and microscopical tools to study the role of the cytoskeleton in pollen tube growth and tropism. I found that the actin cytoskeleton, and more specifically the subapical actin fringe, plays an important role in the regulation of pollen tube growth and architecture through the controlled delivery of secretory vesicles to the growing apex. I constructed a galvanotropic chamber that can be mounted on an inverted microscope to induce controlled tropic triggers. I found that the actin cytoskeleton is also involved in the ability of the pollen tube to change its direction. This tropic behaviour was shown to be dependent on the concentration of calcium ions in the growth medium and calcium influx through calcium channels. The cytosolic calcium gradient in the pollen tube regulates the activity of various actin binding proteins that are responsible for remodelling the actin cytoskeleton. Among these proteins are two Arabidopsis gametophyte-specific actin depolymerizing factors (ADFs) that I tagged with two intrinsically fluorescent proteins. I found that ADF7 and ADF10 are differentially expressed during microsporogenesis and pollen tube germination and growth and that they likely divide important functions between them.

Les filaments d'actine sont des polymères biologiques très abondants dans le cytosquelette des eucaryotes. Leur auto-assemblage et leur auto-organisation sont très dynamiques et ils jouent un rôle majeur dans la motilité cellulaire et dans les déformations de la membrane. Nous présentons dans cette thèse trois approches de modélisation, à différentes échelles, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation de l'assemblage, de l'organisation et de la production de forces par des filaments biologiques tels que les filaments d'actine. Nous avons tout d'abord développé un outil de simulation multi-agent stochastique pour l'étude de la dynamique de filaments biologiques prenant en compte les interactions à l'échelle du nanomètre. Ce nouvel outil nous a permis de mettre en évidence l'accélération du turnover des monomères d'actine par fragmentation des filaments par l'ADF/Cofiline ainsi que les ruptures de symétries induites par cette protéine, résultats concordant avec les expériences de l'équipe de L. Blanchoin (CEA Grenoble). Nous avons également mené l'étude d'un modèle continu pour le flambage de filaments qui a permis d'estimer les forces exercées in vivo et in vitro en fonction des conditions d'attachement des extrémités et de donner des conditions limites de certains paramètres permettant le flambage. Troisièmement, nous avons développé un cadre pour l'organisation des données de cinétique biochimique de réseaux de régulation que nous avons utilisé pour la régulation de la polymérisation de l'actine. Ces trois approches de modélisation ont permis d'améliorer la connaissance sur la dynamique de l'actine et sont complémentaires aux approches expérimentales de la biologie.

Récemment, le concept monofonctionnel de la protéine Tau en tant que protéine stabilisatrice des microtubules a été remis en cause. Ces nouvelles fonctions sont liées à de nouvelles localisations comme le noyau, la membrane, la synapse ou encore les vésicules. La localisation extracellulaire est particulièrement intéressante car elle pourrait intervenir dans la sécrétion de Tau et expliquer l’évolution hiérarchisée de certaines tauopathies sporadiques dont fait partie la maladie d’Alzheimer. La pathologie Tau peut être induite chez l’animal par injection intracrânienne d’espèces pathologiques et semble se transmettre d’un neurone à un autre et d’une région à une autre. Ce phénomène suit des voies neuroanatomiques et suggère une propagation active des assemblages toxiques des protéines Tau. Des études in vitro ont mis en évidence que les protéines Tau sont capables de se déplacer d’une cellule à une autre propageant ainsi la pathologie par un mécanisme de recrutement des espèces saines. L’existence d’une progression hiérarchisée de la pathologie Tau combinée à sa localisation extracellulaire permet de formuler une nouvelle hypothèse. La protéine Tau serait une protéine de type prion et se comporterait comme telle pour propager la pathologie.Cette caractéristique implique l’existence de mécanismes cellulaires de transports actifs pour transférer les protéines pathologiques. Plusieurs travaux ont montré que la protéine Tau est libérée dans le milieu extracellulaire ou enfermée dans des vésicules extracellulaires lors de son transport entre les cellules. Parallèlement aux mécanismes de sécrétion/capture, des ponts membranaires établissant un contact direct entre deux cellules pourraient être impliquer dans la propagation de Tau. Les TNTs constituent une piste sérieuse de part leur rôle déjà établi dans le transfert de pathogènes et de protéines mal repliées impliqués dans différentes maladies neurodégénératives. Notre objectif a donc été d’étudier l’implication de ces structures dans le transfert interneuronal des assemblages de protéines Tau.Dans ce travail de thèse, nous démontrons que les espèces pathologiques de Tau empruntent les TNTs pour leur transfert interneuronal. Nous apportons les preuves, par vidéo-microscopie, de l’existence d’un transfert de protéines Tau pathologiques d’un neurone primaire à un neurone secondaire et donc d’une implication potentielle des TNTs dans la propagation de la pathologie Tau et la transmission de la maladie. Fait remarquable, la présence des fibres Tau au niveau extracellulaire active la formation des TNTs et facilite leur transfert. Ce résultat place les TNTs au coeur du processus pathologique de la propagation et de son cycle infernal (transfert de Tau dans les cellules naïves par les TNTs – seeding - mort neuronal - libération de Tau dans le milieu extracellulaire - augmentation du nombre des TNTs…). Nous avons aussi apporté une caractérisation des TNTs dans les neurones primaires. Ce résultat est d’autant plus important qu’il est difficile d’identifier des TNTs dans les neurones et c’est dans ce contexte que nous avons réalisé une découverte étonnante, la protéine Tau endogène est présente de manière physiologique dans les TNTs de neurones primaires. Ces résultats révèlent, et pour la première fois, que la protéine Tau, comme l’actine, peut être considérée comme une composante constitutive des TNTs dans les neurones. Elle pourrait ainsi être utilisée comme un marqueur des TNTs. Ces résultats mettent également en lumière une nouvelle fonction de Tau appuyant une fois de plus le caractère multifonctionnel de cette protéine [...] / Over the past few years, the monofunctional concept of Tau protein as a microtubule-associated stabilizing protein has been challenged. These new functions are linked to new localizations: nucleus, membrane, synapse or vesicles. The extracellular localization is particularly interesting as it could play a role in the secretion of Tau and explain the hierarchical evolution of some sporadic tauopathies such as Alzheimer's disease. The Tau pathology can be induced in animals by intracranial injection of pathological species and seems to be transferred from one neuron to another and from one region to another. This phenomenon follows neuroanatomic pathways and suggests an active propagation of the toxic assemblies of Tau proteins. In vitro studies have shown that proteins are able to move from one cell to another and induce the same abnormal conformation of endogenous Tau proteins initiating a self-amplifying cascade. The existence of a hierarchical progression of the Tau pathology combined with its extracellular localization enables to express a new hypothesis. The Tau protein would be a prion-like protein and would behave like that to propagate the pathology.This characteristic implies the existence of cellular active transport mechanisms to transfer pathological proteins. Several studies have shown that the Tau protein, during transport between cells, is released in the extracellular medium or enclosed in extracellular vesicles. Simultaneously with secretion / capture mechanisms, membrane bridges, establishing direct contact between two cells, could be involved in Tau propagation. TNTs are a serious candidate with their already established role in the transfer of pathogens and misfolding proteins involved in various neurodegenerative diseases. Thus, our objective was to study the involvement of these structures in the interneuronal transfer of Tau protein assemblies.In this thesis, we demonstrate that Tau pathological species use TNTs for their interneuronal transfer. We bring evidences, by videomicroscopy, that pathological Tau proteins are transferred from a primary to a secondary neuron and that TNTs could be involved in the spreading of Tau pathology and the disease transmission. Furthermore, the presence of extracellular Tau fibers can activate the formation of TNTs and facilitate their transfer. This result places TNTs in a central place for propagation pathological process and its vicious cycle (transfer of Tau in naive cells by TNTs - seeding - neuronal death – release of Tau in the extracellular environment - increase in the number of TNTs…). We also made a characterization of the TNTs in primary neurons. This result is really important as it is really complex to identify TNTs in neurons. And in this context, we made a surprising discovery: the endogenous Tau protein is physiologically present in TNTs in primary neurons. These results reveal, for the first time, that the Tau protein, like actin, can be considered as a constitutive component of TNTs in neurons. Thus, it could be used as a marker for TNTs. All these results also highlight a new Tau function and reinforce the multifunctional characteristic of this protein.To confirm the importance of this new pathway in the pathological process, further studies should be considered by analyzing if the transfer of pathological Tau species induces a pathological phenotype in the recipient cell and by looking for the cellular mechanisms involved in the transfer of toxic Tau assemblies by TNTs. In vivo studies on integrated systems such as Caenorhabditis elegans would confirm the involvement of these dynamic structures in the pathological process and identify a new therapeutic target.

Legionella pneumophila est une bactérie opportuniste qui émerge de l'environnement après multiplication dans des amibes et peut infecter accidentellement les macrophages alvéolaires humains, provoquant une pneumonie sévère, la légionellose. La capacité de L. pneumophila à survivre dans ses cellules hôtes est strictement dépendante du système de sécrétion de type 4 Dot/Icm, qui sécrète un large répertoire d'effecteurs dans le cytosol de l'hôte. Identifier la contribution individuelle de chaque protéine bactérienne sécrétée par le système Dot/Icm, dans le cycle infectieux de L. pneumophila reste un enjeu majeur pour comprendre les bases moléculaires de la virulence des légionelles. Mes travaux de thèse participent à cet objectif en caractérisant la voie cellulaire ciblée par la protéine kinase LegK2. Des tests d'interaction et de phosphorylation ont identifié le complexe nucléateur d'actine ARP2/3 comme cible de LegK2. Suite à l'adressage de LegK2 à la surface de la vacuole après sa translocation dans le cytosol de l'hôte, l'interaction LegK2-ARP2/3 inhibe la polymérisation d'actine sur le phagosome. Cette inhibition permet à Legionella de diminuer le trafic des endosomes tardifs et/ou des lysosomes vers le phagosome et favorise ainsi l'évasion du phagosome à la voie de dégradation endocytique. L'interaction LegK2-ARP2/3 met en évidence un mécanisme original de virulence dans lequel le remodelage local du cytosquelette d'actine de la cellule hôte permet à la bactérie de manipuler le trafic vésiculaire pour échapper aux défenses de l'hôte / Legionella pneumophila is an opportunistic bacterium that emerges from the environment after multiplication in protozoans and can accidentally infect human alveolar macrophages leading to a severe pneumonia, the legionellosis. The L. pneumophila ability to survive within host-cells is strictly dependent on the Dot/Icm Type 4 Secretion System that translocates a large repertoire of effectors into the host cell cytosol. Deciphering the individual contribution of each bacterial protein translocated by the Dot/Icm system in the L. pneumophila infectious cycle remains a major challenge to understand the molecular basis of Legionella virulence. My works contribute to this objective by characterizing the cellular pathway targeted by the protein kinase LegK2. Interaction and phosphorylation assays identified the actin nucleator ARP2/3 complex as the target of LegK2. Following the LegK2 addressing to the vacuole surface after its translocation into host cytosol, LegK2- ARP2/3 interplay inhibits the actin polymerization on the phagosome. This inhibition allows Legionella to decrease the late endosome/lysosome trafficking towards the phagosome and promotes the phagosome evasion from endocytic degradation pathway. LegK2-ARP2/3 interplay highlights an original mechanism of virulence wherein the local actin cytoskeleton remodeling of host cell allows bacteria to hijack the vesicles trafficking in order to escape host-cell defenses

La bactérie Myxococcus xanthus forme des structures multicellulaires appelées corps fructifères pour résister à des conditions de carence nutritive. La formation de ces structures implique un système chimiotactique particulier, le système Frz, qui régule le changement de direction des cellules, provoqué par la relocalisation simultanée des deux appareils de motilité (A) et (S) d’un pôle à l’autre de la cellule. Au cours de ma thèse, j’ai travaillé sur la connexion entre le système chimiotactique Frz et ses protéines cibles MglAB dans le contrôle de l’inversion de la polarité. L’axe de polarité des cellules est établi par MglA, une petite protéine G de la famille Ras, qui constitue un embranchement vers la régulation des deux appareils de motilité au pôle avant, et son inhibiteur MglB localisé au pôle arrière. Nous avons montré qu’en interagissant directement et spécifiquement avec le cytosquelette, MglA contrôle l’assemblage et le désassemblage de la machinerie de motilité A. Par une approche évolutive, nous avons élucidé l’architecture modulaire du système Frz et l’implication de quatre domaines régulateurs pour connecter le système Frz aux protéines MglAB, filtrer et amplifier le signal. Nous proposons un mécanisme d’inversion de la polarité dans lequel l’action indépendante de deux RRs à chaque pôle de la cellule perturbe les interactions entre une petite protéine G et son inhibiteur apparenté pour convertir un axe de polarité stable en un oscillateur biochimique. La régulation de la direction de mouvement chez M. xanthus pourrait donc constituer un cas émergent de couplage entre des régulateurs de type procaryotes et eucaryotes. / The bacterium Myxococcus xanthus forms multicellular structures called fruiting bodies to resist to starvation conditions. Fruiting body formation implies a chemosensory-like system, the Frz system which regulates directional changes through the simultaneous pole-to-pole relocalization of two motility systems, (A) and (S). During my PhD, I have worked on the connection between the Frz chemosensory-like system and the downstream regulators MglA and MglB in the control of polarity inversion. The cell polarity axis is established by (i) a Ras-like small G protein, MglA, which constitutes a branch node in the regulation of A and S motility systems at the leading cell pole, and (ii) its cognate inhibitor MglB that localizes at the lagging cell pole. We showed that MglA interacts directly and specifically with the cytoskeleton to promote assembly and disassembly of the A-motility machinery. Using an evolutionary approach, we elucidated the modular architecture of the Frz system and the implication of four regulatory domains to (i) connect the Frz system to the MglAB proteins, (ii) filter and (iii) amplify the signal. We now propose a mechanism for polarity inversion in which the independent action of two response regulators at each cell pole perturbs the interactions between a small-G-protein and its cognate inhibitor to trigger the conversion of a stable polarity axis into a biochemical oscillator. The regulation of directional movement in M. xanthus is an interesting emergent coupling between prokaryotes and eukaryotes regulators.

Au cours de la reproduction sexuée chez les plantes supérieures, les grains de pollen adhérent aux stigmates, se réhydratent et produisent des tubes polliniques qui se développent à travers le tissu de transmission femelle afin d’assurer la fécondation. Les tubes polliniques sont des cellules dont la croissance est rapide et polarisée à l’apex du tube. Ils représentent de bons modèles pour étudier la dynamique de la croissance cellulaire. Les tubes polliniques sont aussi capables de percevoir des signaux de guidage et d’adhérer à la matrice extracellulaire du tissu femelle. Afin de comprendre le mécanisme cellulaire de la croissance et de l'adhésion du tube pollinique, deux approches différentes ont été utilisées. Premièrement, un criblage de 258 molécules a permis d’isoler deux composés qui perturbent in vitro la croissance des tubes polliniques de tabac, de tomate et d' Arabidopsis thaliana. Les effets d’un inhibiteur des monogalactosyldiacylglycérol synthases, la galvestine-1, ont également été étudiés sur la croissance des tubes. Nous avons montré que ces trois composés réduisent la longueur du tube pollinique et induisent des phénotypes anormaux de façon dose-dépendante. La germination du pollen était réduite avec les deux composés isolés du criblage. Ils ont également affecté la distribution des polymères de la paroi des tubes polliniques. Les composés ont perturbé la production de ROS, ont désorganisé la dynamique des filaments d'actine et de la protéine RIC4 suggérant qu'ils pourraient perturber le trafic de vésicules à l'extrémité du tube pollinique. Dans un second temps, nous avons mis au point une approche de déconstruction enzymatique d’une matrice enrichie en polysaccharides afin d’étudier les phénomènes d’adhésion in vitro des tubes polliniques. Ce test a été développé sur des plaques 96 puits pour les tubes polliniques d'A. thaliana, en utilisant différents extraits de parois cellulaires de fleurs et de feuilles d'A. thaliana comme matrice ou des pectines commerciales de citron avec différents degrés de méthylestérification. Les traitements avec une polygalacturonase et une endo-galactanase des pectines commerciales et de l'extrait de paroi cellulaire de feuilles ont totalement ou partiellement perturbé l'adhésion des tubes polliniques. Ces résultats montrent que les tubes polliniques d’A. thaliana sont capables d'adhérer à des pectines d'origines diverses (espèces et organes) et suggèrent que les chaînes d’homogalacturonanes, les chaînes latérales du rhamnogalacturonane-I, en particulier les galactanes, avec un poids moléculaire minimum seraient nécessaires à l'adhésion des tubes polliniques. / During plant sexual reproduction pollen grains land on the stigma, rehydrate and produce pollen tubes that grow through the female transmitting-tract tissue to assure a proper fertilization. Pollen tubes are fast tip-growing cells and represent a good model to study growth dynamics. Pollen tubes are able to perceive female guidance signals and to adhere to the extracellular matrix of the female transmitting tract. In order to improve our knowledge on the cell mechanisms implicated during pollen tube growth and adhesion, two different approaches have been used. First, 258 compounds were screened and two small compounds were isolated. They disrupted in vitro pollen tube growth of tobacco, tomato and Arabidopsis thaliana. The effects of an inhibitor of monogalactosyldiacylglycerol synthases, galvestine-1, on pollen tube growth were also studied. We showed that these 3 compounds reduced pollen tube length and induced abnormal phenotypes in a dose dependent manner. Pollen germination was significantly reduced with the two compounds isolated from the screen. They also affected cell wall material arrangement in pollen tube cell wall. The compounds modified ROS production and were able to disorganized actin filaments as well as the dynamic changes of the protein RIC4 suggesting that they might perturb vesicle trafficking at the pollen tube tip. Secondly, using a plant-made adhesion matrix in 96 –well plates, we studied the in vitro adhesion of A. thaliana pollen tubes. Different cell wall extracts from A. thaliana flowers and leaves or commercial lemon pectins with different degree of methylesterification were tested and the adhesive fractions were deconstructed by enzymatic treatments. Polygalacturonase or endo-galactanase treatments of commercial pectins and pectin-enriched cell wall extracts totally or partially disrupted pollen tube adhesion. Our results pointed out that A. thaliana pollen tubes are capable of adhering on pectins from diverse origins (species and organs) and suggested that homogalacturonan, the side chains of rhamnogalacturonana-I, especially galactans, as well as a minimum molecular weight may be necessary for pollen tube adhesion.

Les protéines d’adhésions homophiles N-cadhérine jouent un rôle majeur dans le développement du cerveau, notamment en agissant sur la croissance et la plasticité synaptique. Au cours de ma thèse, j’ai étudié le rôle de la N-cadhérine dans ces deux processus en utilisant des neurones issus de cultures primaires déposés sur des substrats micropatternés. Ces substrats sont recouverts de N-cadhérine purifiée afin d’induire des adhésions N-cadhérines sélectives au niveau de micro-motifs régulièrement espacés. Mes deux premières études sont basées sur le modèle d’embrayage moléculaire, décrivant le processus par lequel la motilité du cytosquelette d’actine se couple aux adhésions au niveau de la membrane cellulaire afin de générer des forces de traction aux zones de contact avec le substrat, permettant ainsi l’avancée cellulaire (Giannone et al., 2009). Plusieurs études ont mis en avant l’existence d’un tel modèle (Mitchison et Kirschner, 1988 ; Suter et Forscher, 1998), cependant le mécanisme exact permettant d’expliquer ce couplage mécanique de l’actine aux protéines d’adhésions reste mal connu. Via des techniques de pinces optiques, des travaux précédemment menés dans l’équipe ont prouvé l’existence d’un couplage entre le flux d’actine et les adhésions N-cadhérine permettant la migration du cône de croissance (Bard et al., 2008). Cette technique n’a cependant pas permis la visualisation directe de l’engagement d’un tel mécanisme. Nous avons donc couplé l’utilisation des substrats micro-patternés à la microscopie haute résolution sptPALM/TIRF afin de visualiser directement la dynamique des protéines impliquées dans l’embrayage moléculaire. Dans le premier article, j’ai montré pour la première fois l’existence d’interactions transitoires entre le flux d’actine et les adhésions N-cadhérines au niveau du cône de croissance, reflétant un embrayage glissant à l’échelle de la molécule unique (Garcia et al., en préparation). Dans le second article, en travaillant sur des neurones plus matures, nous avons pu montrer l’engagement d’un embrayage moléculaire trans-synaptique entre adhésions N-cadhérines et flux d’actine permettant la stabilisation du filopode dendritique et ainsi sa transition en épine mature (Chazeau/Garcia et al., en préparation). J’ai également participé à une troisième étude dans laquelle j’ai observé l’effet des substrats micropatternés recouverts de N-cadhérine, sur la synaptogenèse. J’ai ainsi pu prouver que la N-cadhérine déposée sur les micro-motifs, stimule la croissance dendritique et axonale et joue un rôle prépondérant dans la maturation morphologique des neurones. Cependant, la N-cadhérine est incapable d’induire la formation de synapses contrairement aux protéines d’adhésion neurexine/neuroligine ou SynCam (Czöndör et al., 2013). / The homophilic adhesion molecule N-cadherin plays major roles in brain development, notably affecting axon outgrowth and synaptic plasticity. During my PhD work, I addressed the role of N-cadherin in these two processes, using primary neurons cultured on micro-patterned substrates. These substrates are coated with purified N-cadherin to trigger selective N-cadherin adhesions in a spatially controled manner. My two first studies are based on the “molecular clutch” paradigm, by which the actin motile machinery is coupled to adhesion at the cell membrane to generate forces on the substrate and allow cells to move forward (Giannone et al., 2009). Many publications have provided evidence for such a mechanism (Mitchison et Kirschner, 1988 ; Suter et Forscher, 1998), but the exact mechanisms underlying the molecular coupling between the actin retrograde flow and adhesion proteins remain elusive. The team previously inferred, using optical tweezers, that a molecular clutch between the actin flow and N-cadherin adhesions drives growth cone migration (Bard et al., 2008), but could not achieve a direct visualization of the engagement process with this technique. Here, we combined the use of micropattern substrates with high resolution microscopy sptPALM/TIRF to visualize directly the dynamics of the main proteins involved in the molecular clutch. In my first paper, I reveal for the first time transient interactions between the actin flow and N-cadherin adhesions in growth cones, reflecting a slipping clutch process at the individual molecular level (Garcia et al., in preparation). In a second study, working with more mature neurons, we revealed that engagement of a molecular clutch between trans-synaptic N-cadherin adhesions and the actin flow underlies the stabilization of dendritic filopodia into mature spines (Chazeau/Garcia et al., in preparation). I also participated to a third study, where I observed the effect of N-cadherin coated substrates on synaptogenesis. I showed that, although N-cadherin on micro-patterned substrates stimulated axonal and dendritic elongation and played a major role in morphological maturation, it was not able to induce synapse formation like neurexin/neuroligin or SynCAM adhesions (Czöndör et al., 2013).

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L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI. / Self-incompatibility (SI) is a prezygotic reproductive barrier that allows the pistil of a flower to specifically reject their own (self-) pollen. SI systems can help prevent self-fertilization and avoid inbreeding. In gametophytic SI (GSI), the genotype of the pollen determines its breeding behaviour and in this system both female and male specificity determinants of SI are under the control of a multigenic and multiallelic locus called the S-locus. In Solanaceae, the female determinant of SI is a highly polymorphic stylar-expressed extracellular glycoprotein with RNase activity called the S-RNase. S-RNases show a distinct pattern of two hypervariable (HVa and HVb) regions, responsible for their allelic specificity, and five highly conserved regions (C1 to C5) thought to be involved in either the catalytic activity or the structural stabilization of the protein. In this work, we analyzed and characterized several conserved features of the S-RNases and also identified a potential novel S-RNase interactant in Solanum chacoense. The aim of our first study was to investigate the role of the C4 region of S-RNases. To test the hypothesis that the C4 region may be involved in S-RNase folding or stability, we examined a mutant in which the four charged residues in the C4 region were replaced with glycine. This mutant did not accumulate to detectable levels in styles, supporting a structural role for C4. To test the possibility that C4 might be involved in binding another protein, we prepared an R115G mutant, in which a charged amino acid was eliminated to reduce any potential binding to this region. This mutant had no effect on the pollen rejection phenotype of the protein, and thus C4 is likely not involved in either ligand binding or S-RNase entry inside pollen tubes. Finally, a K113R mutant, in which the only conserved lysine residue in all the S-RNases was replaced with arginine, was generated to test if this residue was an S-RNase ubiquitination site. However, S-RNase degradation was not disrupted in this mutant. Taken together, these results indicate that the C4 region likely plays a structural role. In a second study, we analyzed the role of S-RNase glycosylation. All S-RNases share a conserved glycosylation site in the C2 region. To test the possibility that the sugar residues might be a target for ubiquitination, a transgenic S11-RNase lacking its single glycosylation site was examined. This construct behaved similarly to a wild type S11-RNase, demonstrating that the lack of glycosylation does not confer constitutive pollen rejection. To determine if the introduction of an N-linked glycan in the HVa region would affect pollen rejection, a construct containing a second N-glycosylation site inside the HVa region of the S11-RNase and a construct containing only that N-glycosylation site inside the HVa region were prepared. The first construct rejected S11 pollen normally, but surprisingly, plants expressing the construct lacking the C2 glycosylation site rejected both S11 and S13 pollen. We propose that the non-glycosylated form is a dual specific allele, similar to a previously described dual-specific allele that also had amino acid replacements in the HV regions. Interestingly, this phenotype is not observed in the mutant containing two glycosylation sites, which suggests that the sugar residues are not removed during S-RNase entry into the pollen. In the final study, S-RNase-binding assays were performed with pollen extracts to detect potential interacting proteins. We found that concanavalin A-immobilized S11-RNase bound eEF1A, a component of the eukaryotic translational machinery. This interaction was validated by pull-down experiments using a GST-tagged S. chacoense eEF1A. We also found that a previously documented actin binding to eEF1A was markedly increased in the presence of S-RNases, although S-RNases alone do not bind actin. Lastly, we observed that actin in incompatible pollen tubes has an unusual aggregated form which also co-labels with S-RNases. This suggests that binding between S-RNases and eEF1A could provide a potential functional link between the S-RNase and the alteration of the actin cytoskeleton that occurs during the SI reaction. Furthermore, if eEF1A binding to S-RNases acted to titrate the amount of free S-RNase in the pollen tube, this binding may help explain the threshold phenomenon, where a minimum quantity of S-RNase in the style is required to trigger the SI reaction.