<p>Homeostatic maintenance of cellular mitochondria requires a dynamic balance between fission and fusion, and disruptions in this balance have been implicated in multiple pathological conditions, including Charcot-Marie-Tooth, Parkinson's, and Alzheimer's diseases. Whereas deregulated fission and fusion can be detrimental to health and survival, controlled changes in morphology are important for processes like cellular division and apoptosis. Specifically, regulated mitochondrial fission occurs closely with cytochrome c release during apoptosis and upon entry into mitosis during the cell cycle. Using cell culture-based assays, microscopy, and fly genetics, we examine how changes in the mitochondrial network are mediated at the molecular level during apoptosis and the cell cycle. </p> <p>First, we report that the fly protein Reaper induces mitochondrial fragmentation in mammalian cells, likely through inhibition of the mitochondrial fusion protein Mfn2. Reaper colocalizes with and binds to Mfn2 and its fly orthologue dMFN, and the colocalization of the two proteins is necessary for Reaper-induced mitochondrial fission. Moreover, the overexpression of dMFN inhibits Reaper-induced killing both in vitro and in vivo.</p> <p>Our data and work in a number of experimental systems demonstrate a requirement for mitochondrial fragmentation during apoptosis that is conserved from worms to flies to mammals. Our findings indicate that Reaper may function to inactivate mitochondrial metabolic function and/or to facilitate mitochondrial elimination during apoptosis. </p> <p>Secondly, we characterize Drp1 degradation by the APC/C during mitotic exit and interphase. We provide evidence that APC/CCdh1-mediated degradation of Drp1 underlies both the morphological changes that occur during progression through the cell cycle and changes in mitochondrial metabolism during interphase. Inhibition of Cdh1-mediated Drp1 ubiquitylation and proteasomal degradation during interphase prevents the normal regrowth of mitochondrial networks after mitosis, prevents cyclin E accumulation, and alters the profile of lipid-derived metabolites. Our findings describe a novel role for APC/CCdh1-mediated Drp1 degradation in cell cycle-dependent changes in mitochondrial morphology and metabolic function and suggest that the APC/CCdh1complex may regulate the distinct bioenergetic needs of a growing cell during synthetic phases of the cell cycle.</p> / Dissertation

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L’inactivation du gène de susceptibilité au rétinoblastome (rb) est une étape préalable au développement de nombreux cancers. De façon cohérente avec son rôle de suppresseur de tumeur, pRb inhibe la prolifération cellulaire. Le rôle de pRb dans le contrôle de l’apoptose est plus complexe et les mécanismes moléculaires sous-jacents à ces fonctions sont peu décrits.La drosophile possède un homologue de rb, appelé rbf1. Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé la voie d’apoptose induite par Rbf1 dans un tissu prolifératif. J’ai pu montrer que Rbf1 coopère avec le facteur de transcription dE2F2 et le complexe dREAM pour stimuler la transcription du gène how codant pour une protéine de liaison aux ARN capable d’induire la dégradation des transcrits de l’inhibiteur de caspases diap1. Par ailleurs, ces protéines répriment la transcription du gène buffy (gène anti apoptotique de la famille Bcl 2) et ainsi déclenchent une voie de mort mitochondriale dépendante de debcl (gène pro apoptotique de la famille Bcl 2). La fragmentation du réseau mitochondrial, dépendante de la protéine pro-fission Drp1, favorise l’accumulation d’espèces activées de l’oxygène, à l'origine de l'activation de la voie JNK et in fine de l’apoptose. Ces travaux précisent le mode d'action des protéines de la famille Bcl-2 de drosophile. Ils apportent de nouvelles données concernant le rôle pro-apoptotique de Rbf1 et devraient permettre de mieux comprendre l'activité suppresseur de tumeur de pRb. Enfin, j’ai pu montrer que l’apoptose induite par Rbf1 conduit à un mécanisme de prolifération compensatoire et caractériser pour la première fois des acteurs spécifiques de la voie JNK impliqués dans ce mécanisme. / The inactivation of the retinoblastoma susceptibility gene (rb) is a preliminary step in the development of many cancers. Consistent with its role of tumor suppressor, pRb inhibits cell proliferation. The role of pRb in apoptosis control is more complex and the molecular mechanisms underlying these functions are poorly described.rbf1 is the rb Drosophila homologue. During my PhD, I characterized the apoptosis pathway induced by Rbf1 in a proliferative tissue. I showed that Rbf1 cooperates with the dE2F2 transcription factor and with the dREAM complex to stimulate the transcription of how gene coding for a RNA binding protein able to induce the degradation of diap1 caspase inhibitor transcripts. Furthermore, Rbf1/dE2F2 proteins repress the transcription of buffy (anti-apoptotic gene of Bcl-2 family) and thus trigger a mitochondrial death pathway dependent of debcl (pro-apoptotic gene of Bcl-2 family). A mitochondrial fragmentation dependent of the Drp1 pro-fission protein promotes the accumulation of reactive oxygen species, which in turn causes JNK pathway activation, leading ultimately to apoptosis. This work clarifies the mechanism of action of Bcl-2 proteins in drosophila. It brings new data about Rbf1 pro-apoptotic function and should provide a better understanding of pRb tumor suppressor activity. Finally, I showed that Rbf1-induced apoptosis leads to compensatory proliferation and defined for the first time specific actors of the JNK pathway involved in this proliferation.

Proteins are essential parts of living organisms that initiate and control almost all cellular processes. Despite the widely accepted belief that all functional proteins fold into stable and well-defined three-dimensional (3D) structures mandatory for protein activity, the existence of biologically functional disordered proteins has been increasingly recognized during past two decades. Proteins with inherent structural disorder, commonly known as intrinsically disordered proteins (IDPs), play many roles in a biological context. However, in contrast to their folded counterparts, they are dynamically unstructured and typically fluctuate among many conformations even while performing biological functions. In fact, it is this dynamical structural heterogeneity that that allows for IDPs to interact with other biological macromolecules in unique ways. Moreover, while a majority of proteins in eukaryotic proteomes have been found to have intrinsically disordered regions (IDR), the mechanisms by which protein disorder fives rise to biological functionality is still not well understood. Through a series of simulation studies on specific systems, this thesis probes several aspects of the emerging structure-function paradygm of IDPs, namely the mechanics, intermolecular assembly, and structural transitions occurring in these proteins. The lack of well-defined 3D structure in IDPs gives rise to distinct mechanical properties, the subject of the first study in the thesis on the elasticity of a elastomeric gluten-mimetic polypeptide with an intrinsically disordered character. This disordered polypeptide was shown to exhibit distinctively variable elastic response to a wide range of tensions, which a classical worm-like chain model failed to accurately describe, thus requiring a molecular-level analysis. IDPs frequently are frequently involved in protein-protein interactions, the focus of the second study on the propensity of an IDR, the B domain in dynamin-related protein 1 (Dpr1), to self-assemble into dimer structures while remaining disordered in all solution conditions. Despite a hypothesized auto-inhibitory role for this domain in Dpr1 that was assumed to be triggered by an disordered-to-order transition, the B domains in solution showed no tendency to form ordered structures even in the presence of order promoting osmolytes. Instead, self-association in the presence of osmolyte was found to occur by favorable intermolecular intereactions between specific region on the surface of the B-domains. Other IDPs do undergo a disorder-to-order transition in response to environmental cues, in ways that are unique disordered proteins, the focus of the last study on intermolecular ordering transitions in silk-like proteins. Factors such as protein sequence and physical tension were investigated, and results suggested that tyrosine residues in the key silk sequence motifs promote templating of beta structure from disordered precursors and that elongational stresses preferentialy stabilize antiparallel beta-sheet order. Together, these three computational studies provide insight into the nature of the structure-function mechanisms of IDPs.

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La maladie de Parkinson (MP) est une pathologie neurodégénérative fréquente. Différents mécanismes moléculaires ont été mis en cause, dont une dysfonction mitochondriale. Des mutations du gène LRRK2, codant la protéine leucine-rich repeat kinase 2, sont responsables de formes autosomiques dominantes. La substitution la plus fréquente, G2019S, confère à la protéine un gain de fonction. LRRK2 semble réguler l’homéostasie mitochondriale, rôle initialement attribué aux protéines Parkine et PINK1, qui régulent en particulier la mitophagie. Nous avons étudié le rôle de LRRK2 et de son variant LRRK2-G2019S dans la régulation de la mitophagie dépendante de PINK1/Parkine. Nous avons également évalué l’effet de l’activité kinase sur ce processus dans un modèle cellulaire et dans des fibroblastes de patients. Nous avons exploré l’effet de LRRK2 sur la régulation d’interactions protéiques essentielles dans la mitophagie. Enfin, nous avons comparé l’efficacité de la mitophagie dans les formes familiales de la MP liées aux gènes LRRK2 et PARK2. Nous avons montré que LRRK2 et son variant LRRK2 G2019S retardent la mitophagie. Au travers de son activité kinase, LRRK2 compromet des interactions protéiques clefs impliquant Parkine et la GTPase Drp1. Nous avons mis en évidence un défaut de ce processus dans les fibroblastes de patients porteurs de mutations du gène PARK2. Ce défaut est également retrouvé dans les fibroblastes de patients porteurs de la substitution G2019S, dans lesquels il est corrigé par l’inhibition de l’activité kinase de la protéine. Ces résultats mettent en évidence un rôle de LRRK2 et de sa substitution pathogène dans la mitophagie dépendante de la voie PINK1/Parkine. / Parkinson’s disease (PD) is a frequent neurodegenerative disorder. Different molecular mechanisms are suspected, among which mitochondrial dysfunction stands out. Mutations in LRRK2, encoding leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2), cause autosomal dominant PD forms. The most frequent G2019S substitution leads to a gain of function. LRRK2 seems to modulate mitochondrial homeostasis, initially associated with Parkin and PINK1 proteins, which regulate in particular mitophagy. Here, we explored the involvement of LRRK2 and its kinase activity in the regulation of PINK1/Parkin-dependent mitophagy, and evaluated the consequence of the G2019S substitution, both in a cell line (COS7) and in primary fibroblasts from PD patients. In particularly, we studied the impact of LRRK2 on the regulation of protein-protein interactions essential for mitophagy initiation. We also compared the efficiency of PINK1/Parkin-dependent mitochondrial clearance in familial PD forms linked to LRRK2 and PARK2. Our results show that LRRK2 and its LRRK2 G2019S variant delay mitophagy. Moreover, these proteins compromised key interactions involving Parkin and the GTPase dynamin related protein 1 (Drp1) on the outer mitochondrial membrane. We confirmed a defect in this process in fibroblasts from patients with PARK2 mutations and found a similar alteration in fibroblasts from patients with the G2019S substitution. Inhibition of LRRK2 kinase activity restored mitophagy induction in cells from LRRK2 patients, but not in cells from PARK2 patients. Altogether, these results highlight a role of LRRK2 and its pathogenic substitution in the regulation of PINK1/Parkin-dependent mitophagy.

Les neuropathies à anticorps anti-MAG sont secondaires à une gammapathie monoclonale IgM dirigée contre la MAG des gaines de myéline des nerfs périphériques. Le traitement est celui de l'hémopathie sous‐jacente. Même si les thérapeutiques sont de plus en plus efficaces, les hémopathies restent le plus souvent incurables. Le rituximab est couramment utilisé dans le traitement des neuropathies à anticorps anti‐MAG, mais son efficacité n'a pas pu être clairement démontrée dans deux études contrôlées. Le FTY720 ou fingolimod est un sphingolipide, analogue de la sphingosine, qui inhibe les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate (S1P). Il est utilisé comme immunosuppresseur dans la Sclérose en Plaques. Des études ont également rapporté un effet cytotoxique du FTY720 dans des hémopathies sans toutefois clairement expliquer son mécanisme d'action. L'objectif de ce travail est d'élucider les mécanismes moléculaires de l'effet cytotoxique du FTY720 dans un modèle d'hémopathie B, la leucémie lymphoïde chronique (LLC). Des cellules leucémiques primaires de LLC et une lignée cellulaire MEC1 ont été utilisées comme modèle expérimental in vitro. Le FTY720, comme la sphingosine, entraîne une cytotoxicité dose‐dépendante dans la LLC. Cet effet, médié par la forme non phosphorylée de FTY720, est indépendant des récepteurs au S1P. Le FTY720 induit l'expression de marqueurs d'apoptose: exposition de la phosphaJdylsérine, clivage de PARP et de caspase 3. Cependant sa toxicité apparaît indépendante des caspases. La lipidation accrue de LC3 et la formation d'autophagolysosomes indiquent que le FTY720 augmente également le flux autophagique. Cependant, des inhibiteurs de l'autophagie ne permettent pas de bloquer la mort cellulaire induite par le FTY720, suggérant que l'autophagie a ici un rôle protecteur vis à vis de la toxicité du FTY720. Plusieurs éléments permettent de conclure que le FTY720 est responsable d'une nécrose cellulaire : aspect morphologique de nécrose en microscopie électronique, perméabilisation membranaire précoce avec relocalisation cytoplasmique de HMGB1, libération extracellulaire de LDH, perméabilisation de la membrane lysosomale associée à une activation des cathepsines. Au niveau moléculaire, l'action du FTY720 n'est pas bloquée par la nécrostatine 1, indiquant que la nécrose induite par le FTY720 est indépendante de RIPK1 (receptor interacJng protein 1), une kinase clef des voies extrinsèques de nécrose cellulaire programmée. Par contre, nos travaux ont établi l'implication de DRP1 (dynamin related protein), une enzyme régulatrice de la fission mitochondriale, dans le processus de nécrose induite par le FTY720. En plus d'une relocalisation précoce de DRP1 à la mitochondrie accompagnée d'une augmentation de sa phosphorylation sur des sites régulateurs de son activité, nos expériences montrent que la suppression de son expression par interférence à ARN dans les cellules leucémiques réduit fortement la mort cellulaire induite par le FTY720. Le FTY720 est donc responsable dans la LLC d'une nécrose cellulaire programmée dépendante de DRP1. Nos résultats illustrent l'implication des sphingolipides dans la régulation de la survie cellulaire et dans les voies de nécrose programmée. Le FTY720 a un mode d'action original différent de l'apoptose induite par les chimiothérapies classiques. Le FTY720 pourrait donc être une alternative thérapeutique dans les néoplasies B résistantes aux chimiothérapies usuelles et dans certaines manifestations auto‐immunes des hémopathies comme les neuropathies à anticorps anti‐MAG.

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