Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi. / Nhx1 is an intracellular Na+/H+ exchanger localized to the late endosome in Saccharomyces cerevisiae. It is believed that Nhx1 plays a major role in pH-mediated vesicle trafficking, as nhx1Δ mutant is defective in maintaining the intracellular pH in the vacuoles and cytoplasm when grown in low osmolarity media. In this work, we reported novel drug sensitivities of the nhx1Δ mutant to a range of cationic and anionic agents when cells are grown in rich media. Unlike the low osmolarity media, the nhx1Δ mutant showed no sensitivity to salt. Furthermore, we showed that the drug phenotypes of the nhx1Δ mutant, as well as the secretion of the vacuolar protein carboxypeptidase Y, were not rescued by either altering the pH or salt concentration. Although, amino acid substitution of the phylogenetically conserved residue Glu355 for Ala (E355A) in Nhx1 resulted in sensitivity to genotoxic drug bleomycin, it was not observed for the non-conserved residue Glu371Ala (E371A). Moreover, genetic analysis revealed that the nhx1Δ mutant displayed distinct drug phenotypes in comparison to mutants that are defective in retrograde trafficking from the prevacuole to the late Golgi, excluding the possibility that the drug sensitivity of the nhx1Δ mutant is related to retrograde trafficking.

Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi. / Nhx1 is an intracellular Na+/H+ exchanger localized to the late endosome in Saccharomyces cerevisiae. It is believed that Nhx1 plays a major role in pH-mediated vesicle trafficking, as nhx1Δ mutant is defective in maintaining the intracellular pH in the vacuoles and cytoplasm when grown in low osmolarity media. In this work, we reported novel drug sensitivities of the nhx1Δ mutant to a range of cationic and anionic agents when cells are grown in rich media. Unlike the low osmolarity media, the nhx1Δ mutant showed no sensitivity to salt. Furthermore, we showed that the drug phenotypes of the nhx1Δ mutant, as well as the secretion of the vacuolar protein carboxypeptidase Y, were not rescued by either altering the pH or salt concentration. Although, amino acid substitution of the phylogenetically conserved residue Glu355 for Ala (E355A) in Nhx1 resulted in sensitivity to genotoxic drug bleomycin, it was not observed for the non-conserved residue Glu371Ala (E371A). Moreover, genetic analysis revealed that the nhx1Δ mutant displayed distinct drug phenotypes in comparison to mutants that are defective in retrograde trafficking from the prevacuole to the late Golgi, excluding the possibility that the drug sensitivity of the nhx1Δ mutant is related to retrograde trafficking.

La phagocytose, fonction fondamentale des macrophages, est un processus qui se décompose en deux étapes bien distinctes : les étapes précoces d’internalisation menant à la formation du phagosome et les étapes tardives de maturation du phagosome. Le virus de l’immunodéficience humaine de type I (VIH-1) infecte les macrophages, ce qui perturbe leurs fonctions. L’effet de l’infection virale dans ces cellules est peu caractérisé en comparaison des lymphocytes T. Des travaux antérieurs ont montré d’une part que l’étape précoce d’internalisation de larges particules et bactéries était bloquée de moitié dans les macrophages primaires humains infectés par le VIH-1 via Nef, la protéine de virulence majeure du virus et d’autres part, que la réponse cytokinique était atténuée chez les patients infectés. Ainsi, nous avons étudié l’effet du VIH-1 sur les étapes tardives de la phagocytose : la maturation du phagosome et l’activation des macrophages qui en résulte. Nous avons montré que le VIH-1 altère les étapes tardives de la phagocytose en inhibant la maturation du phagosome, définie par le recrutement de marqueurs tardifs de la voie d’endocytose, d’hydrolases et la production d’espèces réactives oxygénées. Malgré une pré-activation basale, les macrophages infectés par le VIH-1 sont incapables de répondre efficacement à une stimulation induite par phagocytose, ce qui conduit à une modulation de la réponse transcriptionnelle et cytokinique. La dynamique des microtubules et la migration centripète des phagosomes sont profondément affectées par le virus. De façon inattendue, la protéine virale Vpr est impliquée dans ces perturbations, alors que Nef ne joue pas de rôle notable. Nos résultats indiquent que les composants intracellulaires de la machinerie de tri endosomal sont détournés par le compartiment viral dans les macrophages infectés. Par cette étude, nous avons donc identifié la protéine Vpr comme nouveau modulateur de la dynamique des microtubules et du trafic intracellulaire, entraînant ainsi une altération profonde de la maturation du phagosome et de la clairance bactérienne dans les macrophages infectés. Ce travail contribue à mieux comprendre l’établissement d’infections opportunistes chez les patients infectés. / Phagocytosis, a crucial function of macrophages, is composed of two well defined steps : the early step of internalization leading to phagosome formation and the late step of phagosome maturation. The immunodeficiency virus type I (HIV-1) infects macrophages, which disturbs theirs functions. The effects of HIV-1 infection are poorly characterized in this cell type compared to T lymphocytes. Previous results have already shown that the early step of internalization of large particles and bacteria are half blocked by Nef in HIV-1 infected primary macrophages and that the cytokine response is attenuated in infected patients. Thus, we have studied the effect of HIV-1 infection on the late step of phagocytosis : phagosome maturation and the resulting macrophage activation. We shown that HIV-1 impairs late phagocytic events affecting the phagosome maturation, as defined by late endocytic markers and hydrolases recruitment, and reactives oxygens species production. HIV-1 infected macrophages exhibited a basal preactivation but appeared unable to respond efficiently to phagocytic triggers leading to cytokine and transcriptional modifications. Centripetal migration of phagosomes and microtubule dynamics were deeply altered upon viral infection. Surprisingly, the Vpr viral protein was implicated in these pertubations, while Nef was not. Our results revealed that elements of the endosomal sorting machinery were hijacked to the virus-containing compartments in HIV-infected macrophages. With this study, we identify Vpr as a modulator of the microtubule dynamics and intracellular trafficking, leading to alterations in phagosome maturation and bacterial clearance in HIV-1 infected macrophages. This work contribute to better understanding of the establishment of opportunistic infections in HIV-infected patients.

La toxine bactérienne de Shiga se lie au glycosphingolipide (GSL) globotriaosylcéramide (Gb3) afin d’entrer par endocytose dans les cellules en utilisant une voie dépendante et indépendante de la clathrine. Dans la voie indépendante de la clathrine, la toxine de Shiga réorganise les lipides de la membrane de façon à imposer une contrainte mécanique sur la bicouche, conduisant ainsi à la formation de pic d’invagination d'endocytose profonds et étroits. Mécaniquement ce phénomène n’est pas encore compris, notamment il reste énigmatique, comment se traduisent les propriétés géométriques de l’agrégation des glycosphingolipides GSLS et de la toxine. Dans mon travail de thèse, via l’utilisation de la sous-unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme un modèle, différentes espèces moléculaires de son récepteur Gb3 ont été synthétisés avec des structures délibérément choisis. Les études réalisées par imagerie de haute résolution et par la modélisation informatique ont permis d’élucider les contraintes mécano-chimique sous-jacente conduisant à une réorganisation efficace qui a pour résultat l’agrégation de la toxine et la réorganisation des lipides. En combinant des expériences de simulation sur ordinateur de dynamique des particules dissipatives (DPD) et des expériences sur des modèles de membranes cellulaires, nous avons fourni la preuve de l’induction d’une force de fluctuation-membrane, de type « force de Casimir », conduisant à l'agrégation des molécules de toxines associées à la membrane à des échelles de longueur mésoscoiques. Nous avons observé et mesuré, en outre la condensation lipidique induite par la toxine, quantitativement sur des monocouches de Langmuir en utilisant la réflectivité des rayons X (XR) et par la mesure de la diffraction des rayons X par incidence rasante (GIXD), fournissant ainsi une preuve directe de l'hypothèse que la toxine a le potentiel de réduire de façon asymétrique la surface moléculaire sur la partie membranaire exoplasmique, ce qui conduit à une déformation locale de la membrane. Durant ma thèse, nos efforts ont été consacrés à la réalisation de nouveaux glycosphinolipides (GSL) comme outils chimiques à visée biologique. Par ailleurs, une nouvelle stratégie de reconstitution de GSL fonctionnels sur la membrane cellulaire, basée sur une réaction de ligation de type « click » entre un glycosyl-cyclooctyne et un azido-sphingosine a été étudiée. Les résultats obtenus sur les cellules se sont avérés beaucoup moins efficace que ceux in vitro. Une poursuite de l'optimisation de cette méthodologie est actuellement en cours. Une sonde fluorescente du glycosphinolipide Gb3, marquée à l’Alexa Fluor 568 lui-même lié par l'intermédiaire d'un bras PEG-α à la position de la chaîne acyle, a été synthétisée. Cette sonde se lie à la STxB sur couche mince de TLC, mais pas sur des membranes modèles. D'autres améliorations sont discutées. / Bacterial Shiga toxins bind to the glycosphingolipid (GSL) globotriaosylceramide (Gb3) to enter cells by clathrin-dependent and independent endocytosis. In the clathrin-independent pathway, Shiga toxin reorganizes membrane lipids in a way such as to impose mechanical strain onto the bilayer, thus leading to the formation of deep and narrow endocytic pits. Mechanistically how this occurs is not yet understood, and notably how the geometric properties of toxin-GSLs complexes translate into function has remained enigmatic. In my thesis work, using the B-subunit of Shiga toxin (STxB) as a model, different molecular species of its receptor Gb3 have been synthesized with deliberately chosen structures, coupled with high resolution imaging and computational modeling, to understand the underlying mechano-chemical constraints leading to efficient toxin clustering and lipids reorganization. By combining dissipative particle dynamics (DPD) computer simulation and experiments on cell and model membranes, we provided evidence that a membrane fluctuation-induced force, termed Casimir-like force, drives the aggregation of tightly membrane-associated toxin molecules at mesoscopic length scales. Furthermore, toxin-induced lipid condensation was observed and measured quantitatively on Langmuir monolayers using X-ray reflectivity (XR) and grazing incidence x-ray diffraction (GIXD), thereby providing direct evidence for the hypothesis that the toxin has the potential to asymmetrically reduce the molecular area of the exoplasmic membrane leaflet, leading to local membrane deformation. During my PhD, effort was also invested to develop new GSL tools applied to the biological setting. A novel strategy based on the Cu-free click reaction between glycosyl-cyclooctyne and azido-sphingosine was designed with the goal to functionally incorporate GSLs into cellular membranes. Following the synthesis work, click reactions have been performed in solution and on cells. Compared to the former, results on cells were far less efficient. Further optimization is currently ongoing. A fluorescently labeled Gb3 probe with Alexa Fluor 568 coupled via a PEG linker to the α-position of the acyl chain, was synthesized, to which STxB bound on TLCs, but not on model membranes. Further improvements are discussed.