Les maladies neurodégénératives sont des pathologies progressives qui affectent le système nerveux, entraînant la mort des cellules nerveuses. Les plus connues et les plus fréquentes sont la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson, mais il en existe d’autres. Toutes ces maladies se caractérisent par la perte progressive de neurones dans des régions plus ou moins localisées du système nerveux, entraînant des complications cognitives, motrices ou perceptives. La maladie de Parkinson (MP) est causée par la dégénérescence de neurones dopaminergiques de la substance noire et de leurs terminaisons nerveuses qui normalement libèrent la dopamine dans le striatum. Les deux principaux facteurs de risque communs aux maladies neurodégénératives sont l’âge et le stress oxydant. Le stress oxydant joue un rôle central dans la physiopathologie de la MP, mais les mécanismes impliqués dans le contrôle de ce stress dans les cellules dopaminergiques ne sont pas totalement élucidés. De nombreuses études montrent que les sélénoprotéines jouent un rôle central dans le contrôle de l'homéostasie redox et la protection cellulaire, mais la contribution précise des membres de cette famille de protéines au cours des maladies neurodégénératives est encore peu connue. Des études antérieures de l’Unité ont permis de découvrir le rôle essentiel d’une nouvelle sélénoprotéine, la sélénoprotéine T (SelT) dans les processus de différenciation neuronale, mais le rôle de cette sélénoprotéine dans les processus neurodégénératifs n’était pas connu. Nous avons montré d'abord que la SelT dont l’invalidation génétique est létale pendant l'embryogenèse, exerce une puissante activité oxydoréductase de type thiorédoxine. Dans un modèle cellulaire de neurones dopaminergiques, représenté par les cellules de neuroblastome SH-SY5Y, la modification de l’expression de la SelT affecte le niveau du stress oxydant et la survie cellulaire. Le traitement de souris sauvages par des neurotoxines ciblant les neurones dopaminergiques telles que le 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) ou la roténone induit une expression massive de la SelT dans la voie nigro-striée, suggérant que la SelT pourrait protéger ces neurones dans les conditions de dégénérescence. En revanche, ce même traitement administré chez les souris invalidées pour la SelT dans le cerveau provoque un syndrome parkinsonien, avec apparition de symptômes moteurs confirmant donc que la présence de la SelT doit participer à la protection des neurones dopaminergiques dans des conditions mimant la MP. Les symptômes moteurs observés sont associés à un stress oxydant et une dégénérescence marquée des neurones dopaminergiques. De même, nous avons observé une diminution de la forme active de la tyrosine hydroxylase, ce qui se traduit par des taux de dopamine réduits dans le striatum des souris invalidées et traitées par les neurotoxines. Ces données montrent que la SelT est essentielle à la survie et à la fonctionnalité des neurones dopaminergiques in vitro et in vivo dans les conditions de neurodégénérescence mimant la MP. Enfin, chez les patients souffrant de la MP, nous avons observé une augmentation considérable de la SelT au niveau du caudate-putamen mais pas d’autres structures cérébrales. L’ensemble de ces résultats révèle l'activité d'une nouvelle enzyme de type thiorédoxine qui protège les neurones dopaminergiques contre le stress oxydant et empêche l’apparition précoce de symptômes moteurs sévères chez les modèles animaux de la MP. Nos données indiquent que des sélénoprotéines telles que la SelT dont les taux sont élevés chez des parkinsoniens, jouent un rôle crucial dans la protection des neurones dopaminergiques contre le stress oxydant et la mort cellulaire ouvrant ainsi la voie au développement de nouvelles stratégies de neuroprotection ciblant ces protéines dans la MP. / Neurodegenerative diseases are progressive pathologies that affect the nervous system, causing the death of nerve cells. The best known and most frequent are Alzheimer's and Parkinson's disease, but there are others. All these diseases are characterized by the progressive loss of neurons of the nervous system, leading to cognitive, motor or perceptual complications. Parkinson's disease (PD) is caused by the degeneration of dopaminergic neurons of the substantia nigra and their nerve endings that normally release dopamine into the striatum. The two main risk factors common to neurodegenerative diseases are age and oxidative stress. Oxidative stress plays a central role in the pathophysiology of PD, but the mechanisms involved in controlling this stress in dopaminergic cells are not fully elucidated. Many studies show that selenoproteins play a central role in the control of redox homeostasis and cell protection, but the precise contribution of members of this family of proteins during neurodegenerative diseases is still unknown. Previous studies performed in our laboratory have uncovered the essential role of a new selenoprotein, selenoprotein T (SelT) in the processes of neuronal differentiation, but the role of this selenoprotein in neuroprotection was not known. We first showed that SelT, whose gene knock-out is lethal during embryogenesis, exerts a potent thioredoxin-like oxidoreductase activity. In a cellular model of dopaminergic neurons, represented by SH-SY5Y neuroblastoma cells, modification of SelT expression affects the level of oxidative stress and cell survival. Treatment of wild-type mice by neurotoxins targeting dopaminergic neurons such as 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) or rotenone induced massive expression of SelT in the nigro-striatal system, suggesting that SelT could protect these neurons under conditions of degeneration. On the other hand, this same treatment given in mice invalidated for SelT in the brain caused a parkinsonian syndrome with the appearance of motor symptoms, thus confirming that the presence of SelT must participate in the protection of dopaminergic neurons under conditions mimiking PD. The observed motor symptoms are associated with oxidative stress and marked degeneration of dopaminergic neurons. Similarly, we observed a decrease in the active form of tyrosine hydroxylase, resulting in reduced dopamine levels in the striatum of invalidated and neurotoxin-treated mice. These data show that SelT is essential for the survival and functionality of dopaminergic neurons in vitro and in vivo under the conditions of neurodegeneration mimicking PD. Finally, in patients with PD, we observed a considerable increase in SelT levels in the caudate-putamen but not in other cerebral structures. Together, these results uncovered the activity of a novel thioredoxin-like enzyme that protects dopaminergic neurons against oxidative stress and prevents the early onset of severe motor symptoms in animal models of PD. Our data indicate that selenoproteins such as SelT, whose levels are increased in PD play a crucial role in protecting dopaminergic neurons against oxidative stress and cell death, thus paving the way for the development of new neuroprotection strategies targeting these proteins in PD.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste de l’Homme responsable de nombreuses infections des voies pulmonaires et urinaires chez des patients immunodéprimés. Largement étudié pour son implication dans la sévérité des symptômes liés à la mucoviscidose, le« bacille pyocyanique » constitue un enjeu majeur en termes de sécurité sanitaire puisqu’il représente après Escherichia coli et Staphylococcus aureus la 3ème cause d’infections nosocomiales en France (INVS, Enquête nationale de prévalence des infections nosocomiales en France, 2012). La persistance de P. aeruginosa notamment dans le cadre médical, est largement due à sa grande capacité à s’adapter et à se développer en communauté organisée au sein de biofilm. Le génome de P. aeruginosa contient de nombreux gènes codant des systèmes de régulation dont la majorité est impliquée dans des mécanismes de perception-transduction de signaux, conférant à la bactérie son fort pouvoir d’adaptation. Parmi ces systèmes, les facteurs sigma à fonction extracytoplasmique (ECF), des sous-unités transitoires de l’ARN polymérase, jouent un rôle fondamental dans la résistance et l’adaptation aux stress. SigX est un facteur sigma ECF, impliqué dans la virulence et la formation de biofilms, ainsi que dans la production des acides gras à courte chaine. Au cours de cette étude, les fonctions cellulaires de SigX ont été précisées, Nous avons montré que SigX joue un rôle important dans la composition, la fluidité et la perméabilité membranaires, et par conséquent dans le métabolisme de la cellule. L’activation de SigX en réponse à des conditions entrainant un stress de l’enveloppe, telles que la perte de la porine majoritaire OprF, la présence d’une concentration de sucrose dans le milieu de culture ou d’une concentration sub-inhibitrice de tobramycine, suggère que cet ECF, comme AlgU, pourrait appartenir à la classe des ECF de type RpoE.De manière remarquable, certaines altérations de l’enveloppe pourraient induire la formation de biofilm, un phénotype impliquant au moins partiellement SigX. Il conviendra à présent de caractériser les mécanismes moléculaires conduisant à l’activation de SigX et de préciser le rôle de ce facteur sigma dans la formation de biofilm. / Pseudomonas aeruginosa is a major opportunistic pathogen causing many infectious diseases in immunocompromised patients. Widely studied because of its involvement in lung infections of cysticfibrosis suffering patients, this bacterium is a major public health challenge. P. aeruginosa persistence is largely due to its ability to adopt a multicellular lifestyle called biofilm. P. aeruginosa genome encodes numerous genes predicted to be involved in signal transduction allowing this bacterium to adapt to many environments. Among these systems, the extracytoplasmic function sigma factors, which are transitory subunits of the RNA polymerase, are of major importance for stress resistance and adaptation. SigX is an ECF sigma factor that has been involved in virulence, biofilm formation and in short chain fatty acidsbiosynthesis. This work led to precise the cellular functions of SigX. We have shown that SigX is of major importance for membrane homeostasis, including composition, fluidity and permeability. As a consequence, SigX was shown to be involved in P. aeruginosa metabolism. SigX activity is enhanced in conditions leading to a cell wall stress, as the lack of the major outer membrane porin OprF, high concentrations of sucrose or sublethal concentration of tobramycin, suggesting that this ECF, as AlgU,is a new cell wall stress responsive sigma factor. Remarkably, some alterations could induce biofilm formation, a phenotype involving at least partially SigX. The molecular mechanisms leading to SigX activity should now be deciphered and the role of this ECF in biofilm formation should be precised.

L’autophagie est un processus catabolique par lequel certaines protéines cytosoliquessont dirigées vers le compartiment lysosomial, afin d’y être dégradées. Ce processus débutepar la séquestration de constituants cytoplasmiques par une structure multimembranaireappelée phagophore. La fermeture du phagophore donne naissance à une vésicule à doublemembrane nommée autophagosome, qui fusionne avec les lysosomes, ce qui conduit à ladégradation du contenu de sa lumière. Ainsi, la modulation de l’autophagie permet unremodelage dynamique du protéome cellulaire. Bien que des données récentes ont permis dedémontrer la dégradation autophagique de protéines impliquées dans la migration cellulaire,telles que des intégrines, ou encore les protéines RhoA et Src, l'impact fonctionnel del'autophagie sur la migration cellulaire demeure sujet à controverse. Alors que l'autophagie estdécrite comme un processus pro-migratoire et pro-invasif dans certaines études, d'autrestravaux indiquent que l'inactivation des protéines pro-autophagiques stimule l'invasion descellules cancéreuses. De plus, l'effet fonctionnel des RCPG chimiotactiques sur l’activitéautophagique reste totalement inexploré. Sur la base de ces données, les objectifs de mon travail de thèse ont été i) d’évaluer les effets des RCPG chimiotactiques, le CXCR4 et l’UT,sur le processus autophagique et ii) d’étudier l’impact de cette modulation sur la migrationcellulaire. Pour ce faire, nous avons utilisé des cellules HEK-293, transfectées à l’aide deconstruits permettant l’expression des RCPG CXCR4 et UT, ainsi que la lignée deglioblastome humain U87, exprimant ces deux récepteurs de manière endogène.Nous avons dans un premier temps évalué l’activité autophagique à l’aide de laprotéine de fusion EGFP-LC3, marqueur des autophagosomes. Nous avons ainsi démontréque l’activation du CXCR4 et de l’UT provoque une diminution significative de la biogénèsedes autophagosomes. Une étape essentielle de cette biogenèse est le recrutement des protéinesAtg16L1 et Atg5 à la membrane plasmique, conduisant à la formation d'endosomes Atg16L1-Atg5-positifs, appelés « endosomes pré-autophagiques ». Cette population d’endosomesconstitue une source importante de phospholipides nécessaire à l’expansion du phagophore etla formation d’un autophagosome mature. Afin d’évaluer l’impact des RCPG chimiotactiquessur le recrutement de la protéine Atg16L1 à la membrane plasmique, nous avons bloqué leprocessus d’endocytose par l’utilisation d’un inhibiteur de la dynamine, le Dynasore. Cettemolécule provoque une accumulation marquée de la protéine Atg16L1 dans les endosomespré-autophagiques en formation, retenus à la membrane plasmique. / Autophagy is a catabolic process by which certain cytosolic proteins are directed to thelysosomal compartment to be degraded. This process begins with the sequestration ofcytoplasmic components, by a multimembrane structure called the phagophore. The closure ofthe phagophore gives rise to a double membrane vesicle called autophagosome, which thenmerges with lysosomes in order to degrade its luminal content. Autophagy modulation allowsa dynamic remodeling of the cellular proteome. Although recent evidence has demonstratedautophagic degradation of key proteins involved in cell migration, such as integrins, RhoAand the Src kinase, the functional impact of autophagy on cell migration remainscontroversial. While autophagy is described as a pro-migratory and pro-invasive process insome studies, others indicate that the inactivation of pro-autophagic proteins stimulates thecancer cell invasion. In addition, the functional effect of chemotactic GPCR on autophagicactivity remains unexplored. On the basis of these data, the objectives of my thesis were i) toevaluate the effects of the chemotactic GPCRs for SDF-1 (CXCR4) and for the vasoactivepeptide urotensin II (UT), on the autophagic process and ii) to study the impact of thismodulation on cell migration. In order to do this, we used HEK-293 cells, transfected with constructs allowing the expression of CXCR4 and UT, as well as the human glioblastomaline, U87, which endogenously expresses these two receptors. Previous studies have demonstrated a direct interaction of Atg5 with membranes,suggesting that recruitment of Atg16L1 to the plasma membrane may depend on Atg5. This prompted us to evaluate the formation of Atg16L1-positive pre-autophagic endosomes,following depletion of Atg5 levels. Several interfering RNAs, targeting the transcriptencoding Atg5, have been tested and, as expected, these interfering RNAs completely blockedthe recruitment of Atg16L1 to forming pre-autophagic endosomes. We then tested the effectsof chemotactic GPCRs on the subcellular localization of the Atg5 protein. By confocalmicroscopy, we found that a significant fraction of Atg5 localized to the plasma membraneunder basal conditions. The activation of CXCR4 or UT is accompanied by a marked decreaseof the Atg5 pool localized at the plasma membrane. Furthermore, we have demonstrated thatthe anti-autophagic effects of chemotactic GPCRs are completely abrogated byoverexpression of a recombinant Atg5 protein, suggesting that chemotactic GPCRs exert theiranti-autophagic effects by reducing the membrane pool of Atg5, necessary for the productionof pre-autophagic endosomes, and the expansion of the phagophore.

Les tumeurs sont généralement constituées de différentes sous-populations de cellules cancéreuses génétiquement hétérogènes, responsables en grande partie de la capacité de la tumeur à évoluer rapidement et à s’adapter aux conditions environnementales. Cette diversité génétique a des conséquences majeures pour le patient, notamment au cours de la progression tumorale et pour l’acquisition d’une résistance aux traitements.Nous avons développé une nouvelle stratégie basée sur la technologie CRISPR/Cas9 qui consiste à introduire, en plus d’une altération de séquence voulue d’un gène d’intérêt, une série de mutations silencieuses, constituant une sorte d’étiquette génétique qui peut être détectée par PCR quantitative ou séquençage de nouvelle génération. En parallèle, un code-barres constitué exclusivement de mutations silencieuses est utilisé comme contrôle interne pour les effets non spécifiques potentiels qui peuvent être engendrés suite au clivage hors-cible par le système CRISPR/Cas9. Cette approche, que nous avons appelée CRISPR-barcoding, permet de générer et de suivre l’émergence d’un petit groupe de cellules cancéreuses contenant une mutation voulue au sein d’une population de cellules non modifiées, représentant ainsi un nouveau modèle expérimental d’hétérogénéité génétique intratumorale. Grâce à une série de preuves de concept, nous avons montré que CRISPR-barcoding est une nouvelle approche qui permet d’étudier de façon simple et rapide les conséquences fonctionnelles de différents types de modifications génétiques apportées directement au niveau de la séquence génomique.Dans la deuxième partie de ma thèse, nous avons utilisé cette nouvelle approche pour l'étude de la résistance du cancer bronchique non à petites cellules (CBNPC) à la thérapie ciblée. Les patients de CBNPC dont la tumeur présente une mutation activatrice de l'epidermal growth factor receptor (EGFR) sont généralement traités avec des inhibiteurs de ce récepteur. Malheureusement, malgré une réponse initiale, presque invariablement ces patients rechutent, suite au développement d’une résistance causée, dans la majorité des cas, par l’apparition de mutations secondaires ou tertiaire de l'EGFR. Grâce à un criblage réalisé en utilisant un modèle de CBNPC basé sur la stratégie CRISPR-barcoding, nous avons pu identifier l’inhibiteur multikinase sorafenib pour sa capacité à prévenir la résistance de ces cellules aux inhibiteurs d’EGFR. Ce composé présente un mécanisme d’action original, impliquant une diminution précoce du niveau de phosphorylation de STAT3, suivie par une baisse considérable de l’expression de l’EGFR, aboutissant à une inhibition des voies intracellulaires en aval de ce récepteur, telles que RAS-MAPK et PI3K-AKT-mTOR. Ces données ont été confirmées in vivo en utilisant un modèle de xénogreffe de cellules de CBNPC modifiées par CRISPR-barcoding.En conclusion, l’ensemble de nos résultats montre que le sorafenib peut prévenir l’émergence de cellules de CBNPC résistantes aux inhibiteurs d’EGFR, indiquant que ce composé pourrait représenter une nouvelle stratégie thérapeutique pour le traitement de ce type de tumeur. / Individual tumors are composed of multiple and genetically distinct subpopulations of transformed cells that can adapt and evolve in a different way based on environmental conditions. This genetic diversity has major consequences for the patient, particularly during tumor progression and for cancer treatment.We devised a new strategy based on CRISPR/Cas9 technology in which a potentially functional modification in the sequence of a gene of interest is coupled with a series of silent point mutations, functioning as a genetic label for cell tracing. In parallel, a second barcode consisting of distinct silent mutations is inserted in the same cell population and used as a control for CRISPR/Cas9 off-target cleavage. This approach, that we named CRISPR barcoding, enables detection of cells containing the mutation of interest within a mass population of unmodified cells using real-time quantitative PCR or deep sequencing. Through a series of proof-of-concept studies, we demonstrated that CRISPR-barcoding is a fast and highly flexible strategy to investigate the functional consequences of a specific genetic modification in a broad range of assays.In the second part of my thesis, we used CRISPR-barcoding to investigate non-small cell lung cancer (NSCLC) resistance to targeted therapy. Some NSCLCs harbor activating mutations of the epidermal growth factor receptor (EGFR) and are addicted to this signaling pathway. These tumors initially show a good response to EGFR inhibitors (EGFRi), but they almost invariably relapse, due to the acquisition of a resistance, as a result of additional genetic alterations, including secondary and tertiary EGFR mutations. Using a CRISPR-barcoding model, we identified the multikinase inhibitor sorafenib for its ability to prevent EGFRi resistance in NSCLC cells. This compound acts through an original mechanism that involves early reduction of STAT3 phosphorylation and late down-regulation of EGFR, resulting in the inhibition of different downstream pathways activated by this receptor, including, RAS-MAPK and PI3K-AKT-mTOR. These results were confirmed in vivo, using a CRISPR-barcoding xenograft model for NSCLC.Altogether, our data indicate that sorafenib can prevent NSCLC resistance to EGFRi through a novel mechanism, thus providing a new potential therapeutic strategy for the treatment of this type of cancer.