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LFA-1 (Lymphocyte Function Associated antigen-1) est une intégrine centrale dans la fonction cytotoxique des lymphocytes T CD8+ car elle permet la formation de la synapse immunologique avec les cellules cibles. La régulation de cette interaction cellulaire est contrôlée par la qualité de l'engagement de LFA-1 avec son ligand ICAM-1 (Intracellular Adhesion Molecule-1). Un support clef au contrôle spatio-temporel de l'activation de LFA-1 est le cytosquelette d'actine corticale dans lequel est ancré LFA-1 par son domaine intracellulaire. Comment LFA-1 est organisée à la synapse immunologique et comment la coordination entre LFA-1 et cytosquelette d'actine s'opère de manière précise au sein des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques sont des questions non résolues. Le but de ce projet de thèse a été d'étudier l'organisation précise de la distribution de LFA-1 à la synapse immunologique en relation avec l'actine corticale sous-jacente au contact entre lymphocytes T cytotoxiques et les cellules présentatrices d'antigènes. Pour ce faire, des approches de microscopies de super-résolution SIM (Structured Illumination Microscopy), dSTORM (direct STochastic Optical Reconstruction Microscopy) et TIRF (Total Internal Reflexion Fluorescence microscopy) ont été développées. Elles ont été appliquées à des lymphocytes T humains non transformés dérivés de contrôles sains et de patients atteints d'une immunodéficience congénitale, le Syndrome de Wiskott-Aldrich (WAS), caractérisé par un défaut de remodelage du cytosquelette d'actine à la synapse immunologique. L'emploi de l'approche de dSTORM en mode TIRF nous a permis de révéler que dans sa conformation activée, LFA-1 forme à la synapse une ceinture radiale composée de centaines de nano-clusters. L'intégrité du cytosquelette d'actine et notamment la protéine WASP s'avèrent importantes pour la formation de la ceinture de nano-clusters de LFA-1, comme le montre le défaut de formation de cette ceinture dans les lymphocytes de patients WAS. L'approche de SIM multi-couleur nous a permis de révéler le rôle de la ceinture de LFA-1 dans le confinement des granules lytiques. Par comparaison de marquages avec des anticorps spécifiques de différentes conformations de LFA-1, notre travail montre également que l'activation de LFA-1 s'opère de manière digitale, dans le sens où les nano-clusters fonctionnent comme des unités au sein desquelles l'activation de LFA-1 suit une loi du tout ou rien. En conclusion, ce travail de thèse démontre l'intérêt des approches de microscopie de super-résolution pour révéler des mécanismes clefs de l'activation des lymphocytes T et pour appréhender la nature des défauts à l'origine de dérèglements pathologiques de la fonction de ces cellules. / LFA-1 (Lymphocyte Function Associated antigen-1) is a central integrin in the function of cytotoxic CD8+ T lymphocytes since it allows the formation of the immunological synapse with target cells. The regulation of this cellular interaction is controlled by the quality of the engagement of LFA-1 with its ligand, ICAM-1 (Intracellular Adhesion Molecule- 1). A key support for the spatio-temporal control of LFA-1 activation is the cortical actin cytoskeleton in which LFA-1 is anchored by its intracellular domain. How LFA-1 is organized at the immunological synapse and how the coordination between LFA-1 and actin cytoskeleton operates accurately within cytotoxic CD8+ T lymphocytes are unresolved issues. The aim of this thesis project was to study the precise organization of the LFA-1 distribution at the immunological synapse in relation to the cortical actin underlying the contact between cytotoxic T lymphocytes and target cells. For this purpose, super-resolution microscopy approaches, including SIM (Structured Illumination Microscopy), dSTORM (direct STochastic Optical Reconstruction Microscopy) and TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence microscopy) were developed. They were applied to untransformed human T lymphocytes derived from healthy donors and patients with a congenital immunodeficiency, the Wiskott-Aldrich Syndrome (WAS), characterized by actin cytoskeleton remodeling defects at the synapse. The use of the dSTORM approach revealed that activated LFA-1 forms a radial belt composed of hundreds of nanoclusters. The assembly of this belt depends on the integrity of the actin cytoskeleton, as shown by the impairment of this structure in the T lymphocytes derived from the WAS patients. The multi-color SIM approach allowed us to investigate the role of the LFA-1 belt in the confinement of lytic granules. Furthermore, the combination of staining with antibodies specific of LFA-1 conformation states shows that LFA-1 activation is a digital process, whereby nanoclusters operate as units in which LFA-1 activation follows an on / off rule. In conclusion, this PhD work exemplifies the great asset of super-resolution microscopy approaches to reveal key activation mechanisms in T lymphocytes and explore the nature of the defects causing pathological dysregulation of the function of these cells.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Lors de leur différenciation, les neurones développent deux types de prolongements cytoplasmiques, dendrites et axones. L'élaboration de ces prolongements est médiée par les éléments du cytosquelette, plus particulièrement, les microtubules et les microfilaments d'actine (actine-F). L'expression de la protéine associée aux microtubules-2 (MAP-2) est nécessaire au développement des neurites mineures, les premiers prolongements cytoplasmiques émis par un neurone. Ceux-ci n'ont pas une identité dendritique ou axonale. Par la suite, l'expression de MAP2 est nécessaire au développement et au maintien des dendrites. L'expression de MAP2 est régulée par épissage alternatif au cours de la différenciation neuronale. Il existe quatre isoformes de la protéine MAP2, MAP2a, MAP2b, MAP2c et MAP2d. MAP2b et MAP2c sont les isoformes les mieux caractérisées. Elles peuvent être subdivisées en deux domaines: un domaine de liaison aux microtubules situé en C-terminal et un domaine de projection en N-terminal. Le domaine de liaison aux microtubules est responsable de l'interaction de MAP2 avec les microtubules alors que le rôle du domaine de projection n1est toujours pas clairement défini. MAP2c est exprimée dans les neurones immatures alors que MAP2b est présente dans les neurones immatures et matures. Dans les neurones immatures, ces deux isoformes se retrouvent dans les neurites mineures et elles sont ciblées préférentiellement dans les dendrites au cours de la différenciation neuronale. Le rôle respectif de MAP2b et MAP2c dans l'élaboration de prolongements cytoplasmiques par un neurone demeure inconnu. MAP2b et MAP2c diffèrent par la présence d'une séquence additionnelle de 1372 acides aminés dans le domaine de projection de MAP2b. L'insertion d'une séquence aussi importante dans le domaine de projection de MAP2b indique que ce domaine joue un rôle important. Le but de la présente étude consiste à mieux comprendre le rôle de cette séquence dans la fotmation de prolongements cytoplasmiques. Pour cette analyse fonctionnelle, nous avons produit six formes tronquées de MAP2b qui contiennent des délétions dans le domaine de projection de MAP2b. Ces formes tronquées de MAP2b ont été exprimées dans les cellules ovariennes Spodoptera frugiperda (Sf9). En effet, ce système cellulaire est très intéressant puisque nous avons démontré que l'expression de MAP2b et MAP2c dans ces cellules résulte en la formation de prolongements cytoplasmiques. Cependant, ces deux isoformes de MAP2 induisent des patterns distincts de formation de prolongements cytoplasmiques. 60% des cellules qui expriment MAP2c développent des prolongements alors que 14% des cellules qui expriment MAP2b ont des prolongements. De plus, les cellules qui expriment MAP2c ont la tendance à développer des prolongements multiples alors que celles qui expriment MAP2b présentent un seul prolongement. Nos présents résultats démontrent que le domaine de projection de MAP2b a un effet inhibiteur sur la capacité du domaine de liaison aux microtubules à induire la formation de prolongements cytoplasmiques. En effet, 53% des cellules qui n'expriment que le domaine de liaison aux microtubules ont des prolongements en comparaison à 14% des cellules qui expriment MAP2b. De plus, l'expression de trois formes tronquées de MAP2b qui ont une délétion partielle de la séquence additionnelle de 1372 acides aminés induit un plus grand pourcentage de cellules avec prolongements (27%, 31 % et 41 % ). Toutefois, la séquence commune à MAP2c et MAP2b qui est située à l'extrémité 5' du domaine de projection semble favoriser la formation de plusieurs prolongements puisque sa délétion résulte en un plus faible pourcentage de cellules avec des prolongements multiples. Nos résultats suggèrent donc que l'insertion de la séquence additionnelle de 1372 acides aminés dans le domaine de projection de MAP2b diminue sa capacité à induire la formation de prolongements cytoplasmiques. Étant donné que MAP2b et MAP2c sont capables de se lier à l'actine-F et aux microtubules, nous avons examiné la distribution de ces deux éléments du cytosquelette dans les cellules Sf9 qui expriment les différentes formes tronquées de MAP2b. Toutes les formes tronquées de MAP2b induisent la formation de faisceaux de microtubules à l'exception des formes tronquées qui correspondent aux domaines de projection de MAP2c et de MAP2b. Dans les cellules qui présentent des prolongements, on note une réorganisation de l'actine-F. Dans les cellules qui expriment la forme mutante correspondant au domaine de projection de MAP2b, l'actine-F est distribuée sous forme d'un anneau sous la membrane plasmique. De plus, le domaine de projection a une distribution similaire. Ceci suggère que le domaine de projection de MAP2b interagit avec l'actine-F. Donc la séquence additionnelle de 13 72 acides aminés pourrait contenir un domaine de liaison à l'actine. En conclusion, nos résultats indiquent que MAP2b aurait une moins grande capacité que MAP2c à promouvoir la formation de neurites mais elle pourrait contribuer à leur stabilisation au cours de la différenciation neuronale par le fait qu'elle contient des domaines additionnels de liaison à l'actine.

Le complexe Arp2/3 génère des réseaux d’actine branchés, qui produisent une forcée de poussée permettant à la cellule de remodeler ses membranes. Le complexe WASH active le complexe Arp2/3 à la surface des endosomes et facilite ainsi la scission membranaire des intermédiaires de transports contenants des récepteurs internalisés tels que les intégrines α5β1. De ce fait, le complexe WASH en favorisant le recyclage des intégrines, joue un rôle crucial dans l’invasion des cellules tumorales durant la progression tumorale. Cependant, le mécanisme d’assemblage du complexe WASH est inconnu. Dans cette étude, nous rapportons l’identification du premier facteur d’assemblage du complexe WASH. Nous avons identifié la protéine HSBP1 grâce à un crible des protéines qui se lient aux formes précurseurs des sous-unités mais plus au complexe une fois assemblé. La reconstitution biochimique et la modélisation moléculaire nous a permis de montrer que HSBP1 est associé avec le précurseur trimérique CCDC53, le dissocie et forme un hétérotrimère qui va éventuellement libérer une forme monomérique de CCDC53 pour l’assemblage du complexe WASH. Le rôle de HSBP1 dans l’assemblage du complexe WASH est conservé. En effet, WASH est déstabilisé dans des cellules mammaires par le knock-down de HSBP1 et dans l’amibe Dictyostelium par le knock-out de HSBP1. La déstabilisation du complexe WASH par le knock-out de HSBP1 phénocopie la déplétion de WASH dans l’amibe Dictyostelium. Dans des cellules humaines de carcinomes mammaires l’inhibition de l’expression de HSBP1 altère le recyclage des intégrines à la membrane plasmidique. Il en résulte des adhésions focales défectueuses et des capacités invasives réduites. De plus, HSBP1 est localisé aux centrosomes et est requis pour la polarité des cellules lors de la migration. Enfin, nous avons trouvé que la surexpression de HSBP1 dans des tumeurs mammaires est associée à une augmentation des niveaux du complexe WASH et à un mauvais pronostic pour les patientes atteintes de cancer du sein. En conclusion, HSBP1 est un facteur d’assemblage conservé qui contrôle les niveaux du complexe WASH. / The Arp2/3 complex generates branched actin networks, which produces a pushing force that helps the cell to remodel its membranes. The WASH complex activates the Arp2/3 complex at the surface of endosomes and thereby, facilitates the membrane scission of the transport intermediates containing internalized receptors such as α5β1 integrins. Hence, by promoting integrin recycling, the WASH complex plays a crucial role in tumor cell invasion during cancer progression. However, how cells assemble the WASH complex at first is unknown. Here we report the identification of the first assembly factor of the WASH complex. We identified HSBP1 in a proteomics screen for proteins binding to precursor forms of subunits, but not to the fully assembled WASH complex. Through biochemical reconstitution and molecular modeling, we found that HSBP1 associates with the precursor CCDC53 trimer, dissociates it and forms a heterotrimer that will eventually contribute a single CCDC53 molecule to the assembling WASH complex. The role of HSBP1 in WASH complex assembly is well conserved since WASH is similarly destabilized upon HSBP1 knock-down in mammalian cells or upon HSBP1 knock-out in Dictyostelium amoeba. In line with the defective assembly of the WASH complex, the HSBP1 knock-out closely phenocopies WASH knock-out in amoeba. In human mammary carcinoma cells, HSBP1 depletion results in impaired integrin recycling to the plasma membrane leading to the defective development of focal adhesions and reduced invasion abilities. Moreover, HSBP1 was found to localize at the centrosome and was required for the polarization associated with the migration. On the other end, in mammary breast tumors, we found that HSBP1 was often overexpressed and that its overexpression was associated with increased levels of the WASH complex and with poor prognosis for breast cancer patients. Hence, HSBP1 is a conserved assembly factor that controls the levels of the WASH complex.

Le cerveau contient environ cent milliards de cellules nerveuses, ou neurones. Ces neurones communiquent entre eux par des structures fonctionnellement distinctes – l’axone et la dendrite – capables d’émettre et recevoir des signaux électriques ou chimiques à partir d’un compartiment présynaptique vers un compartiment, dit post-synaptique. Nous avons focalisé notre étude sur les synapses des neurones hippocampiques, qu’on estime responsables de fonctions cérébrales dites supérieures, comme la mémoire et l’apprentissage. Plus particulièrement, on s’est intéressé au développement et au maintien des épines dendritiques, dont les changements morphologiques sont intimement liés à la plasticité synaptique, autrement dit, capacité de réponse à l’activité synaptique. Les épines dendritiques ont pour origine les filopodes qui évoluent en épines lors du contact axonal. La transition entre filopode et épine implique une myriade de molécules, dont des récepteurs glutamatergiques, des protéines d’échafaudage et du cytosquelette d’actine capables de recevoir, transmettre et intégrer le signal présynaptique. Cependant, la coordination spatiale et temporelle de tous ces composants moléculaires au long de la formation et maturation d’une synapse reste largement méconnue.Scribble1 (Scrib1) est une protéine de polarité cellulaire (PCP) classiquement impliquée dans l’homéostasie de tissues épithéliaux ainsi que dans la croissance et progression des tumeurs. Scrib1 est aussi une protéine d’échafaudage critique pour le développement et le bon fonctionnement du cerveau. L’objectif de cette étude a donc été d’étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents à un rôle potentiel de Scrib1 dans la formation et le maintien des synapses. Dans un premier temps, on a décrit l’importance d’interactions dépendantes des domaines PDZ sur le trafic des récepteurs glutamatergiques ainsi que sur la voie de signalisation de plasticité synaptique sous-jacente à la mémoire spatiale. Dans un second temps, nous avons évalué les conséquences fonctionnelles d’une mutation de Scrib1 récemment identifiée chez un patient humain atteint des troubles du spectre autistique (TSA) dans la morphologie et fonction des neurones. On a démontré que Scrib1 régule l’arborisation dendritique ainsi que la formation et le maintien fonctionnel des épines dendritiques via un mécanisme dépendent du cytosquelette d’actine. Le dérèglement de ces mécanismes pourrait être à l’origine du phénotype TSA. L’ensemble de ce travail met en évidence que Scrib1, protéine d’échafaudage clé dans le développement et la fonction du cerveau, joue une multitude de rôle du niveau subcellulaire au niveau cognitif. / The brain is made up of billions of nerve cells, or neurons. Neurons communicate with each other through functionally distinct structures - the axon and the dendrite - which are able to release and receive an electrical or chemical signal from a pre- to a post-synaptic compartment, respectively. We focused our study on hippocampal neurons synapses, which ultimately underlie high-order brain functions, such as learning and memory. In particular, we studied the development and maintenance of dendritic spines, whose changes in morphology are intimately correlated with synaptic plasticity, or the ability to respond to synaptic activity. Dendritic spines originate from motile dendritic filopodia, which mature into spines following axonal contact. The filopodia-to-spine transition involves a plethora of molecular actors, including glutamate receptors, scaffold proteins and the actin cytoskeleton, able to receive, transmit and integrate the pre-synaptic signal. The spatial and temporal coordination of all these molecular components throughout the formation and maturation of a synapse remains, however, unclear. Scribble1 (Scrib1) is planar cell polarity protein (PCP) classically implicated in the homeostasis of epithelial tissues and tumour growth. In the mammalian brain, Scrib1 is a critical scaffold protein in brain development and function. The main goal of this work was, therefore, to investigate the molecular mechanisms underlying Scrib1 role in synapse formation and maintenance. In a first part, we depict the importance of Scrib1 PDZ-dependent interactions on glutamate receptors trafficking as well as bidirectional plasticity signalling pathway underying spatial memory. In a second part, we focus on the functional consequences of a recently identified autism spectrum disorder (ASD) mutation of Scrib1 on neuronal morpholgy and function. We demonstrated that Scrib1 regulates dendritic arborization as well as spine formation and functional maintenance via an actin-dependent mechanism, whose disruption might underlie the ASD phenotype. Taken altogether, this thesis highlights the PCP protein Scrib1 as key scaffold protein in brain development and function, playing a plethora of roles from the subcelular to the cognitive level.

La migration cellulaire collective est essentielle aux processus physiologiques, tels que le dé-veloppement et la réparation des tissus, et aux conditions pathogènes, telles que les métas-tases cancéreuses. Les lésions métastatiques sont à l'origine de la majorité de la mortalité liée au cancer, ce qui incite à comprendre les mécanismes moléculaires régissant la migration collective du cancer et à explorer leur potentiel thérapeutique. Dans ce contexte, la kinase MAP4K4 est apparue comme une kinase pro-métastatique, associée à un mauvais pronostic pour les patients et reconnue pour réguler la migration des cellules cancéreuses. Cependant, son rôle dans la migration collective reste flou. Au cours des dernières années, le groupe de recherche du Dr Emery a dévoilé que Misshapen, l'orthologue drosophile de MAP4K4, est un régulateur central de la migration collective des cellules de bordure, soulevant la question de savoir si MAP4K4 coordonnerait la migration collective des cellules cancéreuses. Le but de cette thèse était d’évaluer la fonction de MAP4K4 dans la migration collective des cellules cancéreuses, incluant deux modes de migration différents : en grappe et en feuillets. En utilisant la lignée cellulaire A431, nous démontrons le rôle de MAP4K4 dans la régulation de la dynamique de protrusion, de rétraction et d’adhésion focale, favorisant la migration des grappes grâce à la régulation des forces de traction cellule-substrat. De plus, nous dévoi-lons un nouveau rôle de MAP4K4 dans l’adhésion cellule-cellule, en contrôlant la charge de tension et la stabilité, et en ajustant les contraintes intercellulaires. Notamment, lors de la migration des feuillets, les cellules A431 forment des structures en forme de doigts, avec une hiérarchie leader-suiveur. En caractérisant ces structures migratrices, nous avons identifié des structures d'actomyosine supracellulaires, ouvrant ainsi de nouvelles questions et voies d'investigation pour explorer les mécanismes de communication cellule-cellule. De plus, nous avons montré que MAP4K4 régule la formation des doigts et la densité des câbles supracellu-laires, nuisant à l'émergence de cellules leader et coordonnant la communication cellule-cellule. Dans l’ensemble, ces travaux soulignent le rôle central de MAP4K4 dans la régulation de la migration collective des cellules cancéreuses par l’adhésion focale et la modulation de la jonction cellule-cellule, ayant finalement un impact sur la génération et la transmission de la force cellulaire, coordonnant ainsi le mouvement collectif. En outre, nous discutons du po-tentiel de l’inhibition de MAP4K4 en tant que stratégie de traitement des métastases. / Collective cell migration is essential for both physiological processes, such as development and tissue repair, and pathogenic conditions, such as cancer metastasis. Metastatic lesions drive the majority of cancer-related mortality, urging the understanding of molecular me-chanisms governing collective cancer migration, and exploring their therapeutic potential. In this context, the kinase MAP4K4 has emerged as a pro-metastatic kinase, associated with poor patient prognosis and recognized for regulating cancer cell migration. However, its role in collective migration remains unclear. In the past years, Dr. Emery's research group unveiled that Misshapen, the MAP4K4 Drosophila orthologue, is a central regulator of border cell col-lective migration, raising the question whether MAP4K4 would coordinate the collective mi-gration of cancer cells. The purpose of this thesis was to assess the function of MAP4K4 in carcinoma cell’s collective migration, including two different migration modes : clusters and sheets. Using A431 cell line, we demonstrate MAP4K4’s role in regulating protrusion, retraction and focal adhesion dy-namics, promoting cluster migration through regulating cell-substrate traction forces. Furthermore, we unveil a new role of MAP4K4 at cell-cell adhesions, controlling tension loa-ding and stability, and tunning the intercellular stresses. Notably, during sheet migration, A431 cells form finger-like structures, with a leader-follower hierarchy. Performing the charac-terization of these migrating structures, we identified supracellular actomyosin structures, opening new questions and investigative pathways to explore cell-cell communication me-chanisms. Moreover, we showed that MAP4K4 regulates finger formation and the density of the supracellular cables, impairing the emergence of leader cells and coordinating cell-cell communication. Overall, this work underscores the central role of MAP4K4 in regulating collective cancer cell migration through focal adhesion and cell-cell junction modulation, ultimately impacting cell force generation and transmission, coordinating collective movement. Furthermore, we dis-cuss the potential of MAP4K4 inhibition as a strategy for metastasis therapy.