In vitro, la dégradation de la matrice extracellulaire (MEC) par ces cellules invasives est effectuée par les invadopodes, des protrusions cellulaires dotées d’une activité de protéolyse émanant de la membrane ventrale de cellules cultivées sur des substrats bidimensionnels. Le facteur d'échange (GEF) Fgd1, un GEF spécifique de Cdc42, a été montré comme étant un des composants des invadopodes. Nonobstant, la façon dont Fgd1 est régulé n’est pas encore connue. Mon projet visait à élucider la régulation de Fgd1 dans les cellules cancéreuses invasives. J'ai montré que la distribution subcellulaire de la protéine endogène varie au cours des différentes étapes de la formation des invadopodes et que Fgd1 s'accumule aux sites de formation des invadopodes et ce de façon concomittante à l'assemblage du noyau F-actine/cortactine. La partie N –terminale de la molécule est essentielle pour la localisation aux invadopodes. En outre, la Filamine A (FLNa) a été identifiée comme un nouveau partenaire de liaison in vitro et in vivo. J’ai de plus montré que FLNa colocalise avec Fgd1 aux invadopodes et est nécessaire pour leur formation et leur fonction. J'ai émis l'hypothèse que FLNa puisse être impliquée dans la dégradation de Fgd1 par le protéasome, un processus étroitement lié au niveau de l'activation de Cdc42. Dans mon modèle, FLNa agirait comme une protéine d’échafaudage pour connecter Fgd1 et Cdc42 et ainsi réguler localement l'activation de la GTPase, mais également pour stabiliser Fgd1 en empêchant sa dégradation par le protéasome. Dans l'ensemble, mes résultats apportent de nouveaux éléments concernant le rôle de Fgd1 dans la biogénèse des invadopodes / In vitro, degradation of the extracellular matrix (ECM) by invasive tumor cells is carried out by invadopodia, proteolytically active protrusions emanating from the ventral membrane of cells cultured on two dimensional ECM substrates. Identification and characterization of novel molecular components of the invadopodia machinery is now witnessing a relevant interest. The guanine nucleotide exchange factors (GEFs) Fgd1, a specific GEF for Cdc42, has been recently brought into the picture of invadopodia components and regulators. Notwithstanding, how Fgd1 is regulated in invasive cancer cells remains poorly understood. My project aimed to further elucidate Fgd1 regulation in cancer cells. I showed that the cellular distribution of endogenous Fgd1 quantitatively changes along the different stages of invadopodia formation, and that Fgd1 accumulates at invadopodia sites concomitantly with the initial assembling of the actin/cortactin core. The N-terminal proline rich domain (PRD) of Fgd1 is essential for its localization and function at invadopodia. Furthermore, using a yeast two hybrid approach, Filamin A (FLNa) was identified as a novel Fgd1 binding partner and this interaction was validated in vivo. I report that FLNa co-localizes with Fgd1 at invadopodia and is required for their formation and function. I hypothesized that FLNa may be involved in the SCF FWD1/β-TrCP –mediated proteasome degradation of Fgd1, a process that is strictly connected to the Cdc42 activation rate. In my model, FLNa may act as a scaffold to connect Fgd1 and Cdc42 for local activation of the small GTPase, and to increase Fgd1 stability by preventing its proteasomal degradation. Taken together, my findings provide novel insights on the role of Fgd1 in invadopodia biogenesis

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Knowledge of the molecular and cellular mechanisms of ischemic injury is necessary for understanding acute kidney injury and devising optimal treatment regimens. The cortical actin cytoskeleton in the proximal tubule epithelial cells of the kidney nephron, playing an important role in both the establishment and maintenance of cell polarity, is drastically disrupted by the onset of ischemia. We found that in LLC-PK cells (a porcine kidney proximal tubule epithelial cell line), cortactin, an important regulator of actin assembly and organization, translocated from the cell cortex to the cytoplasmic regions upon ischemia/ATP-depletion. Meanwhile both the tyrosine phosphorylation level of cortactin and cortactin’s interaction with either F-actin or the actin nucleator Arp2/3 complex were down-regulated upon ischemia/ATP-depletion or inhibition of Src kinase activity. These results suggest that tyrosine phosphorylation plays an important role in regulating cortactin’s cellular function and localization in the scenario of kidney ischemia. The Rho GTPase signaling pathways is also a critical mediator of the effects of ATP depletion and ischemia on the actin cytoskeleton, but the mechanism by which ATP depletion leads to altered RhoA and Rac1 activity is unknown. We propose that ischemia and ATP depletion result in activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) and that this affects Rho GTPase activity and cytoskeletal organization (possibly via TSC1/2 complex and/or mTOR complex). We found that AMPK was rapidly activated (≤5 minutes) by ATP depletion in S3 epithelial cells derived from the proximal tubule in mouse kidney, and there was a corresponding decrease in RhoA and Rac1 activity. During graded ATP-depletion, we found intermediate levels of AMPK activity at the intermediate ATP levels, and that the activity of RhoA and Rac1 activity correlated inversely with the activity of AMPK. Activation of AMPK using two different drugs suppressed RhoA activity, and also led to morphological changes of stress fibers. In addition, the inhibition of AMPK activation partially rescued the disruption of stress fibers caused by ATP-depletion. This evidence supports our hypothesis that the activation of AMPK is upstream of the signaling pathways that eventually lead to RhoA inactivation and cytoskeletal dysregulation during ATP-depletion.

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La protéine d’échafaudage Gab1 amplifie la signalisation de plusieurs récepteurs à fonction tyrosine kinase (RTK). Entre autres, elle promeut la signalisation du VEGFR2, un RTK essentiel à la médiation de l’angiogenèse via le VEGF dans les cellules endothéliales. En réponse au VEGF, Gab1 est phosphorylé sur tyrosine, ce qui résulte en la formation d’un complexe de protéines de signalisation impliqué dans le remodelage du cytosquelette d’actine et la migration des cellules endothéliales. Gab1 est un modulateur essentiel de l’angiogenèse in vitro et in vivo. Toutefois, malgré l’importance de Gab1 dans les cellules endothéliales, les mécanismes moléculaires impliqués dans la médiation de ses fonctions, demeurent mal définis et la participation du second membre de la famille, Gab2, reste inconnue. Dans un premier temps, nous avons démontré que tout comme Gab1, Gab2 est phosphorylé sur tyrosine, qu’il s’associe de façon similaire avec des protéines de signalisation et qu’il médie la migration des cellules endothéliales en réponse au VEGF. Cependant, contrairement à Gab1, Gab2 n’interagit pas avec le VEGFR2 et n’est pas essentiel pour l’activation d’Akt et la promotion de la survie cellulaire. En fait, nous avons constaté que l’expression de Gab2 atténue l’expression de Gab1 et l’activation de la signalisation médiée par le VEGF. Ainsi, Gab2 semble agir plutôt comme un régulateur négatif des signaux pro-angiogéniques induits par Gab1. La migration cellulaire est une des étapes cruciales de l’angiogenèse. Nous avons démontré que Gab1 médie l’activation de la GTPase Rac1 via la formation et la localisation d’un complexe protéique incluant la GEF VAV2, la p120Caténine et la Cortactine aux lamellipodes des cellules endothéliales en réponse au VEGF. De plus, nous montrons que l’assemblage de ce complexe corrèle avec la capacité du VEGF à induire l’invasion des cellules endothéliales et le bourgeonnement de capillaires, deux phénomènes essentiels au processus angiogénique. La régulation des RhoGTPases est également régulée par des inactivateurs spécifiques les « Rho GTPases activating proteins », ou GAPs. Nous décrivons ici pour la première fois le rôle de la GAP CdGAP dans les cellules endothéliales et démontrons son importance dans la médiation de la signalisation du VEGF via la phosphorylation sur tyrosine de Gab1 et l’activation des RhoGTPases Rac1 et Cdc42. Ainsi, dù à son importance sur l’activation de voies de signalisation du VEGF, CdGAP représente un régulateur crucial de la promotion de diverses activités biologiques essentielles à l’angiogenèse telles que la migration cellulaire, et le bourgeonnement de capillaires in vitro et d’aortes de souris ex vivo. De plus, les embryons de souris CdGAP KO présentent des hémorragies et de l’œdème, et ces défauts vasculaires pourraient être responsables de la mortalité de 44% des souris CdGAP knock-out attendues. Nos études amènent donc une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires induits par le VEGF et démontrent l’implication centrale de Gab1 et des régulateurs des RhoGTPases dans la promotion de l’angiogenèse. Cette meilleure compréhension pourrait mener à l’identification de nouvelles cibles ou approches thérapeutiques afin d’améliorer le traitement des patients souffrant de maladies associées à une néovascularisation incontrôlée telles que le cancer. / The Gab1 scaffolding protein allows signaling of multiple Receptors Tyrosine Kinase (RTKs). Among other things, it allows VEGFR2 signaling, an essential RTK to mediate angiogenesis via VEGF in endothelial cells. In response to VEGF, Gab1 is tyrosine phosphorylated, resulting in the formation of a signaling protein complex involved in the remodeling of the actin cytoskeleton and the migration of endothelial cells. Gab1 is a key modulator of angiogenesis in vitro and in vivo. However, despite the importance of Gab1 in endothelial cells, the molecular mechanisms involved in mediating its functions remain poorly defined and the participation of the second family member, Gab2, remains unknown. Initially, we demonstrated that as with Gab1, Gab2 is tyrosine phosphorylated, it associates with similar signaling proteins and induces cell migration in response to VEGF in endothelial cells. However, Gab2 does not interact with VEGFR2 and is not essential for the activation of Akt and the promotion of cell survival. In fact, we found that the expression of Gab2 attenuates the expression of Gab1 and activation of VEGF-mediated signaling. In light of these results, we propose that in endothelial cells stimulated with VEGF, Gab2 acts as a negative regulator of pro-angiogenic signals induced by Gab1. Cell migration is a crucial step in angiogenesis, though, few studies have investigated the involvement of Gab1 in regulating different molecular mechanisms for actin remodeling leading to endothelial cell migration. We demonstrated that Gab1 mediates activation of Rac1 GTPase via the formation and localization of a protein complex including the GEF VAV2, p120 Catenin and Cortactin to lamellipodia of endothelial cells in response to VEGF. Furthermore, we show that the assembly of this complex correlates with the ability of VEGF to induce endothelial cell invasion and capillary sprouting, phenomena essential to the angiogenic process. RhoGTPases are also regulated by specific inactivators, "Rho GTPase activating proteins" or GAPs. The involvement of GAPs in promoting angiogenesis is relatively poorly described. Here we describe for the first time the role of the GAP CdGAP in endothelial cells and demonstrate its importance in mediating VEGF signaling via tyrosine phosphorylation of Gab1 and activation of Rac1 and Cdc42 RhoGTPases. Due to its importance in the activation of signaling pathways critical in VEGF signaling, CdGAP is thus an important protein for the regulation of various essential biological activities such as cell migration, sprouting and therefore in vitro and ex vivo angiogenesis. In addition, embryos of CdGAP knock-out mice exhibit vascular defects, excessive branching vessels, haemorrhages and edema which may be responsible for the 44% mortality seen in CdGAP knock-out mice expected. Our studies contribute to a better understanding of the molecular mechanisms induced by VEGF and demonstrate the central involvement of Gab1 and regulators of RhoGTPases in promoting angiogenesis. This understanding could lead to the identification of new targets and therapeutic approaches to improve the treatment of patients with uncontrolled neovascularization associated with diseases such as cancer.

Le complexe actomyosine, formé de l’association de la myosine II avec les filaments d’actine, stabilise le cytosquelette d’actine et génère la contraction cellulaire nécessaire à plusieurs processus comme la motilité et l’apoptose dans les cellules non-musculaires. La myosine II est un hexamère formé d’une paire de chaînes lourdes (MHCs) et de deux paires de chaînes légères MLC20 et MLC17. La régulation de l’activité de la myosine II, c'est-à-dire son interaction avec les filaments d’actine, est directement liée à l’état de phosphorylation des MLC20, mais il reste beaucoup à découvrir sur l’implication des MHCs. Il existe trois isoformes de MHCs de myosine II, MHCIIA, MHCIIB et MHCIIC qui possèdent des fonctions à la fois communes et distinctes. Notre but est de mettre en évidence les différences de fonction entre les isoformes de myosine II, au niveau structurale, dans la stabilisation du cytosquelette d’actine, et au niveau de leur activité contractile, dans la génération des forces de tension. Nous nous sommes intéressés au rôle des isoformes des MHCs dans l’activité du complexe actomyosine qui est sollicité durant le processus de contraction cellulaire de l’apoptose. Dans quatre lignées cellulaires différentes, le traitement conjoint au TNFα et à la cycloheximide causait la contraction et le rétrécissement des cellules suivi de leur détachement du support de culture. Par Western blot, nous avons confirmé que la phosphorylation des MLC20 est augmentée suite au clivage de ROCK1 par la caspase-3, permettant ainsi l’interaction entre la myosine II et les filaments d’actine et par conséquent, la contraction des cellules apoptotiques. Cette contraction est bloquée par l’inhibition des caspases et de ROCK1. MHCIIA est dégradée suite à l’activation de la caspase-3 alors que MHCIIB n’est pas affectée. En utilisant une lignée cellulaire déficiente en MHCIIB, ou MHCIIB (-/-), nous avons observé que la contraction et le détachement cellulaires durant l’induction de l’apoptose se produisaient moins rapidement que dans la lignée de type sauvage (Wt) ce qui suggère que l’isoforme B est impliquée dans la contraction des cellules apoptotiques. Parallèlement, la kinase atypique PKCζ, qui phosphoryle MHCIIB et non MHCIIA, est activée durant l’apoptose. PKCζ joue un rôle important puisque son inhibition bloque la contraction des cellules apoptotiques. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la modulation de la morphologie cellulaire par la myosine II. Les fibroblastes MHCIIB (-/-), présentent un large lamellipode dont la formation semble dû uniquement à l’absence de l’isoforme MHCIIB, alors que les fibroblastes Wt ont une morphologie cellulaire étoilée. La formation du lamellipode dans les fibroblastes MHCIIB (-/-) est caractérisée par l’association de la cortactine avec la membrane plasmique. L’observation en microscopie confocale nous indique que MHCIIA interagit avec la cortactine dans les fibroblastes Wt mais très peu dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Le bFGF active la voie des MAP kinases dans les fibroblastes Wt et MHCIIB (-/-) et induit des extensions cellulaires aberrantes dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Nos résultats montrent que l’implication de l’isoforme B de la myosine II dans la modulation de la morphologie cellulaire. L’ensemble de nos résultats participe à distinguer la fonction structurale et contractile de chacune des isoformes de myosine II dans la physiologie cellulaire. / We are interested in studying the modulation of the actomyosin complex which is involved in different cellular processes such as cell locomotion and apoptosis. The actomyosin complex is formed by the association of actin filaments and myosin II. The non-muscle myosin II is a hexamer formed by one pair of heavy chains (MHCs) and two pairs of light chain (MLC20 and MLC17). The actomyosin activity is dependent on MLC20 and MHCs phosphorylation. There are three isoforms of MHCs (MHCIIA, MHCIIB and MHCIIC) which have common but also distinctive roles in several cellular processes. Our aim is to clarify the structural and contractile functions of each isoforme of myosin II in different cellular processes, in particular, cell contraction and cell morphology. First, we studied the implication of myosin II isoforms in cell shrinkage and detachment during apoptosis which are both dependent on actomyosin contractility. We treated four different cell lines with TNFα in combination with cycloheximide (CHX) to trigger apoptosis. We confirmed that TNFα induced caspase-3 activation, ROCK1 cleavage and increased MLC20 phosphorylation. We showed that TNFα/CHX induced the caspase-dependent MHCIIA degradation, whereas MHCIIB levels and association with the actin cytoskeleton remained virtually unchanged. Cell shrinkage and detachment were blocked by caspase and ROCK1 inhibitors. Using the MHCIIB (-/-) cell line, we observed that the absence of MHCIIB did not affect cell death rate. However, MHCIIB (-/-) fibroblasts showed more resistance to TNFα-induced actin disassembly, cell shrinkage and detachment than wild type (Wt) fibroblasts, indicating the participation of MHCIIB in these events. PKCζ, which only phosphorylates MHCIIB, was cleaved during apoptosis, co-immunoprecipitated preferentially with MHCIIB and, interestedly, PKCζ inhibition blocked TNFα-induced shrinkage and detachment. Our results demonstrate that MHCIIB, together with MLC phosphorylation and actin, constitute the actomyosin cytoskeleton that mediates contractility during apoptosis. Second, we studied the involvement of myosin II isoforms in cell shape modulation. Fibroblasts MHCIIB (-/-) spontaneously formed lamellipodia whereas Wt fibroblasts presented a stellate shape. Cortactin was associated with the leading edge of lamellipodia in MHCIIB (-/-) fibroblasts, but it localised diffusely in the cytoplasm or at the end of fine cellular projections in Wt fibroblasts. The levels of cortactin and cortactin phosphorylated in Tyr421 associated with membrane in MHCIIB (-/-) fibroblasts were higher than in Wt fibroblasts. Confocal microscopy showed cortactin/MHCIIA colocalization in wild type but not in MHCIIB (-/-) fibroblasts. bFGF activates Erk1/2 in wild type and MHCIIB (-/-) fibroblasts and induces the formation of aberrant membrane projections in MHCIIB (-/-) fibroblasts. In conclusion, our results contribute to characterize the structural and contractile role of each myosin II isoforms in the physiology of the cell.

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<p dir="ltr">This dissertation delves into two research projects that aim to characterize post-translational modifications in two distinct proteins, each originating from a different species – one from the eukaryotic sea slug Aplysia californica and the other from the bacterial pathogen Bordetella bronchiseptica.</p><p dir="ltr">Aplysia have an unusually large neuron and therefore serve as an excellent model for studying cell signaling regulating neuronal chemotaxis. Cortactin is an actin binding protein that is regulated by post-translational modifications, including acetylation and phosphorylation. Studies have shown that Src2 tyrosine kinase phosphorylates cortactin to regulate lamellipodia protrusion and filopodia formation in Aplysia bag cell neurons. However, these in vivo phenotypes have not been tested mechanistically in vitro. To this end, the goal of my thesis work was to validate in vivo observations. The following work describes the methodology we developed to purify homogenous non-phosphorylated proteins. Our collaborative results show that Src2 phosphorylates cortactin at Y499, although Y505 is the preferred site in vitro.</p><p dir="ltr"> Filamentation induced by cAMP (Fic) proteins constitute a recently characterized family of enzymes that are being recognized to regulate diverse cellular processes in bacteria and metazoans. While Fic proteins predominantly utilize adenosine triphosphate (ATP) to post-translationally modify target proteins via a covalent addition of AMP, two Fic proteins have been reported that utilize uridine triphosphate (UTP) and cytidine diphosphate-choline (CDP-choline) to alter the activity of their target. In this dissertation, we report the discovery of the first guanosine triphosphate (GTP) specific Fic protein – BB0907 (BbFic) from Bordetella bronchiseptica. BbFic displays weak to no binding to ATP; instead has a 10-fold increased preferential usage for GTP. We identify key residues involved in GTP recognition. Additionally, sequence similarity network (SSN) analyses reveal that BbFic represents a distinct clade of Fic proteins, highlighting BbFic as a representative new class of guanylyltransferase. Our discovery adds to the functional diversity of the growing Fic protein family and frames the groundwork for understanding Fic-mediated GMPylation as a novel signaling paradigm. </p><p dir="ltr">Taken together, my thesis work provides novel insights into biological consequences of Fic-mediated GMPylation in bacteria and Src-mediated phosphorylation in filopodia formation.</p><p><br></p>