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Afin d’améliorer la performance et l’intégration des biomatériaux dans le tissu hôte, l’intérêt actuel est d’exploiter des approches de nanotechnologie pour produire des biomatériaux possédant des surfaces bioactives. Il est connu que l’interaction des cellules avec la surface des biomatériaux détermine la réponse du tissu hôte et le succès d’un implant. La topographie est l'un des principaux facteurs influençant l'activité fonctionnelle des cellules en contact avec des biomatériaux. Cependant, les mécanismes impliqués demeurent imprécis. Notre groupe a exploité un traitement chimique simple afin de créer des surfaces de titane nanoporeuses uniques qui expriment une influence cellulaire sélective, favorisant ainsi la formation osseuse in vivo et in vitro. Dans ce travail, nous avons réduit la durée du traitement afin d’obtenir une surface nanotopographique mono-planaire, puis évaluer l’influence d’une telle surface sur la formation par des cellules pré-ostéoblastiques MC3T3-E1 d’adhésions focales et de filopodes, ainsi que sur l’expression de gènes codant pour différentes protéines associées à l’adhésion et la signalisation cellulaire. Des disques de titane commercialement pur (cp-Ti) ont été traités avec un mélange d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène (50/50 v/v) pendant 1.5 heures. La caractérisation par microscopie électronique à balayage à haute résolution et pour microscopie à force atomique a confirmé la formation d’une surface effectivement mono-planaire caractérisée par des nanopores d’une taille moyenne de 20 ± 5 nm. Les cellules ont été mises en culture pour des périodes de 6, 24 et 72 heures sur des disques contrôles polis et avec une surface nanoporeuse. L'analyse de l’expression de la vinculine par immunofluorescence a révélé un plus grand nombre d’adhésions focales par les cellules sur la surface traitée. Le PCR quantitatif a également montré une augmentation significative de l'expression des gènes pour différents marqueurs d'adhésions focales, telles que paxilline, taline, et différentes intégrines comme par exemple les intégrines α1, β1 et α5. Par microscopie électronique à balayage, les cellules sur la surface nanoporeuse révèlent une présence plus importante de filopodes vis à vis des surfaces contrôles. Ces structures affichent de manière unique de très petites protrusions membranaires latérales d’entre 10-15 nm qui suivent les bords des nanopores. L’augmentation des adhésions focales, l'abondance des filopodes et de leurs petites protrusions pourraient engendre interaction accrue avec la surface et modifier les relations biomécaniques à l’échelle nanométrique pour déclencher des cascade régulant la prolifération cellulaire. / To improve the performance and integration of biomaterials in the host tissue, the focus is presently on exploiting nanotechnology approaches to produce biomaterials with bioactive surfaces. It is known that the cell-biomaterial interactions determine the response of the host tissue and therefore the success of implants. Topography is a key factor that influences the functional activity of cells; however, the mechanisms implicated remain unclear. Our group has exploited a simple chemical treatment to create unique nanoporous titanium surfaces that selectively influence cell behaviour and favor osteogenic activity both in vitro and in vivo. In this work, we have reduced treatment time in order to obtain a monoplanar nanostructured surface, and we have evaluated its influence on the formation of focal adhesions, filopodia, and on gene expression for different cell adhesion and signaling proteins by MC3T3-E1 pre-osteoblastic cells. Commercially pure titanium (cp-Ti) was treated with a mixture of H2SO4/H2O2 (50/50 v/v) for 1.5h. Characterization by high-resolution field-emission scanning electron microscopy and atomic force microscopy characterization showed the formation of a nanoporous surface with a mean pore diameter of 20 ± 5 nm. Cells were cultured and plated on polished (control) and nanotextured discs for periods of 6, 24 and 72 hours. Immunofluorescence analysis of vinculin expression revealed the formation of more focal adhesions by cells seeded on nanostructured surfaces. Quantitative PCR likewise showed significant increase of gene expression for various focal adhesion markers, including paxillin, talin, and different integrins such as integrin α1, β1 and α5. As compared to controls, scanning electron microscopy of cells on the treated surface revealed the presence of more filopodia. These uniquely displayed very small lateral membrane protrusions between 10-15 nm that appeared to follow the walls of the nanopores. Together with the increase in focal adhesions, the abundance of filopodia and associated protrusions could contribute to the adhesive interaction with the surface and modify the nanoscale biomechanical relationships to trigger cellular cascades regulating cell proliferation.

Les rétinoïdes sont utilisés dans le traitement d’une variété de tumeurs malignes et lésions précancéreuses. Leurs effets dans des lignées cellulaires dérivées de tumeurs solides tel que le cancer du sein ont été étudiés extensivement. Cependant, les bénéfices dans le cancer du sein restent à date peu clairs. Ceci est probablement du à l’hétérogénéité des tumeurs mammaires et la réponse très variable aux effets antiprolifératifs de l’acide rétinoïque. Dans les lignées cellulaires cancéreuses mammaires, la réponse l’AR est fortement corrélée au niveau d’expression du récepteur aux estrogènes alpha (ERα), qui régule l’expression du gène qui encode le récepteur à l’acide rétinoïque alpha, RARA. Malgré cela, certaines lignées cellulaires ER-négatives, comme la lignée HER2-positive SK-BR-3, ont été décrites comme étant sensibles à l’AR. Dans le Chapter 2: de cette thèse, nous avons étudié les mécanismes de la signalisation ER-dépendante et ER-indépendante dans les cellules cancéreuses mammaires. Nous avons utilisé des lignées ER-négatives et ER-positives pour démontrer qu’une partie de la réponse à l’AR est indépendante de la signalisation par ER. Nous avons identifié plusieurs gènes cibles primaires de l’AR qui ont des effets similaires à l’AR quand ils sont surexprimés dans des cellules mammaires cancéreuses. Cette étude apporte une meilleure compréhension des mécanismes complexes qui mènent à l’arrêt de croissance induit par l’AR dans les cellules cancéreuses mammaires. Dans le Chapitre 3, nous avons regardé plus en détails la signalisation ER-indépendante par l’AR dans des cellules ayant une amplification des gènes HER2 et RARA et nous avons identifié une synergie entre l’AR et le Herceptin dans ces cellules. Nous proposons que les gènes FOXO jouent une rôle dans cette synergie. Les cellules SK BR 3, ayant une coamplification HER2/RARA, pourraient représenter une classe de tumeurs qui pourraient bénéficier d’un traitement avec des rétinoïdes, en augmentent la réponse au Herceptin et potentiellement en réduisant la résistance au Herceptin. En conclusion, les données présentées dans cette thèse aident à mieux comprendre les mécanismes menant à l’arrêt de croissance induit par l’AR dans les cellules cancéreuses mammaires et fournissent une application potentielle pour l’utilisation de l’AR dans le traitement du cancer du sein. / Retinoids are being used in the treatment of several malignancies and precancerous lesions. Their effects on cell lines derived from solid tumors, such as breast cancer, have also been described extensively. Their benefit in breast cancer, however, remains unclear. This might be because of the high levels of heterogeneity of breast tumors and the very variable response to the antiproliferative effects of retinoic acid. In mammary tumor cell lines, the response to retinoic acid is highly correlated with the expression of the estrogen receptor alpha (ERα), which regulates the expression of the retinoic acid receptor alpha gene RARA. However, some ER-negative cell lines, such as the HER2 positive SK-BR-3 cell line, have been reported to be RA-sensitive. In Chapter 2: of this thesis we have investigated the mechanisms of ER-dependent and ER-independent RA signaling in breast cancer cells. Using ER-positive and ER-negative cell lines, we show that part of the response to RA is independent of ER signaling. Several direct retinoic acid targets were identified that could mimic antiproliferative effects of retinoic acid when overexpressed in breast cancer cells. This study has provided better insight in the complex mechanisms that lead to RA-induced growth arrest in breast cancer cells. In Chapter 3: we looked further into the ER-independent RA signaling in HER2/RARA-amplified cells and identified a synergy between RA and Herceptin in these cells. We propose a role for FOXOs in mediating this synergy. HER2/RARA coamplified breast tumors might represent a subclass of tumors that could benefit from retinoid treatment, both increase antitumor effects of Herceptin, as well as in potentially reducing Herceptin resistance. In conclusion, data presented in this thesis give better insight in the mechanisms of RA induced growth arrest in breast cancer cells and provide a potential application of retinoids in a subset of breast tumors.

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La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) est une courbure rachidienne tridimensionnelle de plus de 10° qui affecte 4% de la population pédiatrique. L’hétérogénéité de ce désordre musculo-squelettique complexe explique notre incompréhension des causes de la SIA. Néanmoins, plusieurs facteurs biologiques ont été associées à son étiologie. Les réponses osseuses aux stimulations mécaniques normalement appliquées sont nécessaire au fonctionnement optimal du système squelettique. Cependant, la mécanotransduction des tissus musculo-squelettiques dans la SIA est méconnu. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier l'apport de la mécanotransduction dans l'étiologie de la SIA au niveau cellulaire et moléculaire. Nous avons étudié les ostéoblastes des patients atteints de SIA et des sujets témoins. L'induction mécanique a été réalisée à l'aide d'une application d'écoulement de fluide oscillatoire. L’immunofluorescence (IF) et la microscopie confocale ont été utilisées pour évaluer les cils, l'actine et les tests fonctionnels. Les modifications moléculaires ont été étudiés par qPCR ou ELISA. Un séquençage d'exome entier sur une cohorte de 73 SIA et 70 sujets témoins appariés a été fait, pour vérifier l'hypothèse que l'accumulation de variants rares dans des gènes impliqués dans la mécanotranduction cellulaire contribueraient à l'étiologie de la SIA. Nous avons découvert une élongation anormale des cils des ostéoblastes SIA, qui étaient significativement plus longs que ceux des sujets témoins dans des conditions de ciliogenèse. Les cellules SIA soumises à une application d'écoulement de fluide, n'ont pas été capable d'ajuster la longueur de leurs cils proportionnellement à la force appliquée. La réponse de l'ajustement de la longueur des cils était significativement différente de celle des ostéoblastes témoins, par des stimulations à court et à long terme.. L'expression des facteurs ostéogéniques était significativement réduite dans les ostéoblastes SIA, suggérant une diminution de la mécanosensibilité. De plus, l'analyse transcriptomique en réponse aux forces appliquées a révélé une altération de l'expression des gènes impliqués dans la voie canonique de Wnt. L'augmentation de la sécrétion du facteur VEGF-A en réponse aux forces appliquées dans les ostéoblastes témoins n'a pas été détectée dans les ostéoblastes SIA. Notre analyse SKAT-O des données du séquençage d’exomes entiers a confirmé l’accumulation de variants rares dans la SIA au niveau de gènes associés à la mécanotransduction cellulaire. Les conséquences de ces anomalies de mécanotransduction ont été étudié par des études cellulaires fonctionnelles, démontrant que les ostéoblastes SIA n’ont pas réussi à se positionner ni à s’allonger proportionnellement au flux bidirectionnel appliqué. Le réarrangement des filaments d'actine induit par l’application d’un flux a été compromis dans la SIA. . Enfin, il a été démontré que le flux de fluide avait un effet inhibiteur sur leur migration. Nos données suggèrent une mécanotransduction altérée dans les ostéoblastes SIA affectant les cils, les voies moléculaires de signalisation, le cytosquelette et le comportement de la cellule en réponse à l'écoulement appliqué. La réponse cellulaire à ces stimulations joue un rôle dans la structure, la force, la forme et le fonctionnement du système squelettique. Etudier le profil de réponse altérée des cellules osseuses scoliotiques peut mener à la conception des approches thérapeutiques plus efficaces / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional spinal curvature that affects up to 4% of children. As a complex disorder, the cause of AIS is still poorly understood. However, multiple categories of biological factors have been found to be associated with its etiology. The role of biomechanics has been acknowledged by clinicians both in the description of deformity and in relation to bracing treatments. Bone responses to routinely applied forces are an important part in a tightly regulated network that is necessary for the optimal function of the skeletal system. However, little is known about the mechanotransduction of musculoskeletal tissues in AIS. The main goal of this dissertation was to investigate the contribution of mechanotransduction in the etiology of AIS from a cellular-molecular aspect. We studied primary osteoblasts obtained intraoperatively from AIS patients and compared them to samples from trauma cases as controls. Fluid flow application was used for mechanical induction. Immunofluorescence staining, and confocal microscopy was used to assess cilia, actin and cellular tests. Molecular changes were followed using RT-PCR or ELISA. We also performed whole exome sequencing (WES) to test the hypothesis that rare variants accumulation in genes involved in cellular mechanotransduction could contribute to AIS etiology. We found an abnormal cilia elongation among AIS osteoblasts, which grew significantly longer than controls. AIS cells after fluid flow application failed to adjust their cilia length in proportion to the applied force. Under both short- and long-term flow applications, their cilia length adjustment was significantly different from controls. Notably, the elevation in the expression of osteogenic factors, that was normally observed with control osteoblasts, was significantly reduced in AIS osteoblasts, suggesting a decrease in their mechanosensitivity. Moreover, transcriptomic analysis following the applied forces revealed an altered expression of genes involved in the Wnt canonical pathway. Strain induced increase in secreted VEGF-A in control osteoblasts was not detected in AIS flow-conditioned media. At the genomic level, our SKAT-O analysis of the WES data also supported the involvement of heterogenous defects in genes pertaining to the cellular mechanotransduction machinery. We tested the consequence of these mechanotransduction abnormalities in a series of functional cellular studies. As expected and unlike controls, AIS osteoblasts failed to position or elongate themselves in proportion to the bidirectional applied flow. The strain-induced rearrangement of actin filaments was compromised in AIS osteoblasts. Finally, fluid flow showed to have an inhibitory effect on their migration contrasting with control cells that migrated significantly faster under flow. In summary, our data strongly suggest an impaired mechanotransduction in AIS osteoblasts that affect cilia, downstream signaling molecular pathways, cytoskeleton and finally the behaviour of the whole cell in response to flow. Fluid flow is one of the main mechanical forces applied physiologically to the bone cells. Cellular responses to these stimulations play a critical role in the structure, strength, shape and optimal performance of the skeletal system. Mapping the impaired profile response of scoliotic bone cells can help in designing more efficient therapeutic approaches or explaining the mechanisms behind less than optimal bracing outcomes.

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La voie de signalisation Ras/MAPK régule de nombreuses fonctions biologiques et occupe un rôle central dans la transmission de signaux extracellulaires à des protéines cibles intracellulaires. Les dysfonctionnements de cette voie sont responsables de plusieurs maladies et syndromes génétiques, tels que le cancer ou le diabète. Cette voie de signalisation, qui régule l’activité des protéines kinases ERK1/2 comptant un grand nombre de substrats cellulaires, occupe une place primordiale dans de nombreux processus biologiques. Parmi ces substrats, on retrouve les protéines kinases de la famille RSK qui comptent quatre isoformes (RSK1-4). Bien que plusieurs substrats cellulaires aient été identifiés pour les isoformes RSK1 et RSK2, les fonctions biologiques des kinases RSK ainsi que les mécanismes moléculaires les régulant sont encore aujourd’hui peu décrits. Ainsi, afin d’améliorer nos connaissances sur la famille des RSK, nous avons utilisé plusieurs approches. Tout d’abord, nous avons déterminé les partenaires cellulaires à proximité des kinases RSK avec la mise en place d’une méthode protéomique spécifique. Cette première étape nous a permis d’identifier la protéine p120ctn comme un nouveau substrat des kinases RSK, mais aussi de démontrer le rôle de ces dernières dans la régulation des jonctions intercellulaires. D’autre part, en se focalisant sur un domaine particulier des kinases RSK encore non étudié, notre deuxième étude apporte elle aussi de nouvelles connaissances sur les différentes interactions des protéines RSK. Ces travaux ont entre autres permis de montrer que la liaison de l’isoforme RSK2 avec la protéine Scribble inhibe son activation par la voie de signalisation Ras/MAPK. En établissant donc des études à grande échelle pour déterminer les interactions propres à chaque isoforme des kinases RSK, nous avons identifié plusieurs nouveaux partenaires cellulaires de ces protéines ainsi que leurs fonctions associées. Cette étape est cruciale à la compréhension et la caractérisation du rôle des protéines RSK, notamment dans le développement des cellules cancéreuses. / The Ras/MAPK signaling pathway regulates many biological functions and plays a key role in transducing extracellular signals to intracellular target proteins. Inappropriate regulation of this pathway leads to a variety of diseases and genetic syndromes, including cancer or diabetes. This signaling pathway regulates the activity of ERK1/2 protein kinases, which have many cellular substrates, and therefore regulates significant biological processes. Among these substrates, there is the RSK (p90 ribosomal S6 kinase) family of protein kinases, which is composed of four isoforms (RSK1-4). Although several cellular substrates have been identified for the RSK1 and RSK2 isoforms, the biological functions of RSK kinases and the molecular mechanisms regulating them are still poorly understood. Thus, to improve our knowledge of the RSK family, we used several approaches. First, we determined the cellular partners of the RSK kinases using a proximity-based labeling technique. This first step allowed us to identify the p120ctn protein as a new substrate of RSK kinases, but also to demonstrate the role of these proteins in the regulation of intercellular junction’s integrity. Additionally, by focusing on a particular domain of RSK kinases still unstudied, our second study also provided new insights into the different interactions of RSK proteins. Finally, we demonstrated that the binding of the RSK2 isoform with the Scribble protein inhibits its activation by the Ras/MAPK signaling pathway. Consequently, by establishing large-scale studies to determine the specific interactions of each RSK isoform, we have identified several new cellular partners of these proteins and their associated functions. This step is crucial to understand and characterize the role of the RSK proteins, particularly with respect to their described functions in cancer.

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Le mélanome est le cancer de la peau le plus mortel. Il est caractérisé par une grande hétérogénéité et une reprogrammation métabolique importante qui lui confère l’habileté de promouvoir des programmes immunosuppressifs et de développer une résistance aux traitements. Cette capacité permet au mélanome d’agir sur le microenvironnement tumoral et d’échapper à l’immunosurveillance du système immunitaire. La famille des peroxisome-proliferator activated receptor gamma coactivator 1 (PGC-1s) est un joueur clé du métabolisme cellulaire en régulant la biogenèse mitochondriale, la phosphorylation oxydative et la détoxification du stress oxydatif. Des études ont montré que l’expression de PGC-1α module la fonction mitochondriale. Les fonctions de PGC-1β et PRC, les 2 autres membres de cette famille, dans le mélanome restent largement inexplorées. Ce mémoire montre pour la première fois que l’expression des PGC-1s est non seulement associée à l’expression de plusieurs molécules pro-inflammatoires (IL-8, TNF, IL-1), mais aussi à l’expression de molécules immunosuppressives (CD73, PD-L2, Galectin-9) pouvant contrôler la réponse immunitaire. Par l’utilisation d’inhibiteurs ciblant des voies de signalisation de l’immunité innée, nous avons montré que la régulation de ces molécules s’effectue via MEK et IKK dans les cellules déplétées en PGC-1β. La déplétion en PGC-1 altère la fonction mitochondriale, induisant l’expression de p21 et l’arrêt du cycle cellulaire d’une manière soutenue et via un mécanisme indépendant des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS). Nos travaux montrent que les PGC-1s possèdent d’importantes fonctions immunitaires dans le mélanome qui peuvent potentiellement dicter la croissance tumorale, l’évasion cellulaire et la réponse aux thérapies anticancéreuses. / Melanoma is the deadliest form of skin cancer. It is defined by great heterogeneity and extensive metabolic reprogramming which gives it the ability to promote immunosuppressive programs and develop therapy resistance. This ability allows melanoma to define the tumor microenvironment and escape the immunosurveillance of the immune system. The peroxisome-proliferator activated receptor gamma coactivator 1 (PGC-1s) family is a key player in cell metabolism by regulating mitochondrial biogenesis, oxidative phosphorylation and oxidative stress detoxification. Studies have shown that the expression of PGC-1α is linked to increased mitochondrial function and the metastatic potential of melanoma. The functions of PGC-1β and PRC, the other 2 members of this family, in melanoma remain largely unexplored. This thesis shows for the first time that the expression of PGC-1s is not only associated with the expression of several pro-inflammatory molecules (IL-8, TNF, IL-1) but also with the expression of immunosuppressive molecules (CD73, PD-L2, Galectin-9) which can control the immune response. Using inhibitors targeting innate immunity signaling pathways, we have shown that the regulation of these molecules occurs via MEK and IKK in PGC-1β depleted melanoma cells. Depletion of PGC-1 impairs mitochondrial function and leads to p21 induction and cell cycle arrest in a sustained manner by a reactive oxygen species (ROS)-independent mechanism. Our work shows that PGC-1s have important immune functions in melanoma that can potentially dictate tumor growth, cell evasion and response to cancer therapies.