L’endocytose permet l’internalisation d’éléments présents dans le milieu extracellulaire tels que les nutriments. Ce processus prend place dans la membrane plasmique. Les courbures de la membrane jouent un rôle essentiel dans l’endocytose pour générer une invagination initiale, un puits, puis une vésicule qui se sépare ensuite de la membrane plasmique pour fusionner avec les compartiments intracellulaires. Il existe plusieurs voies d’endocytose qui peuvent être classées selon des critères tels que la taille des vésicules produites, la médiation par un récepteur ou la présence d’un manteau recouvrant les vésicules. La voie d’endocytose la mieux caractérisée est celle dépendante de la clathrine. Mon laboratoire d’accueil travaille sur l’entrée du récepteur de l’interleukine 2 (IL-2R). Ce récepteur peut entrer de façon constitutive ou induite en présence de son ligand l’IL-2. Les deux voies sont indépendantes de la clathrine. Lors de mon arrivée dans le laboratoire, ces voies étaient encore peu caractérisées, notamment les facteurs induisant les courbures membranaires restaient à identifier. Ces facteurs doivent être particulièrement impliqués car les vésicules contenant l’IL-2R sont dépourvues de manteaux. Un crible par interférence à ARN, réalisé avant mon arrivée avait permis de proposer des protéines candidates pouvant courber les membranes. La première partie de ma thèse a consisté à confirmer l’importance de certaines protéines issues de ce crible puis à étudier leurs rôles dans la voie constitutive de l’IL-2R. Parmi ces protéines confirmées, deux familles de facteurs étaient particulièrement intéressantes pour leur capacité à courber les membranes, les phospholipases D et les endophilines. Ces dernières ont permis d’identifier une nouvelle voie d’entrée nommée « Fast Endophilin Mediated Endocytosis » FEME dans laquelle l’endophiline joue un rôle essentiel et qui est empruntée par de nombreux récepteurs transmettant le signal. La voie FEME partage plusieurs facteurs communs avec la voie d’endocytose induite de l’IL-2R. Pour finir, mes travaux de thèse ont porté sur l’orchestration de l’endophiline et de la dynamine dans la voie d’endocytose constitutive de l’IL-2R. Ces deux facteurs sont impliqués en fin d’endocytose, pour scinder les vésicules de la membrane plasmique. Cependant, ces deux protéines n’ont pas la même orchestration. Nos travaux montrent une action distincte de l’endophiline et de la dynamine dans les voies d’endocytose dépendante et indépendante de la clathrine. / Endocytosis allows the uptake of elements from the extracellular fluid such as nutriments. This process takes place at the plasma membrane. The membrane curvatures play an important role in endocytosis for the production of initial invagination to form a pit that will be then separate from the plasma membrane and will go to the intracellular compartments. Several routes of endocytosis exist and can be classified depending on vesicles size formed, receptor mediated endocytosis or coat on vesicles. The well-known characterized endocytosis pathway is the clathrin mediated one. My lab is working on interleukin 2 receptor (IL-2R) entry. This receptor can enter either constitutively or upon induction by the ligand IL-2. Both uptake pathways are independent of clathrin. When I arrived in the lab, those pathways were still under characterization, in particular the factors inducing the membrane curvature. Their role should be important since IL-2R containing vesicles are coated free. A small interfering RNA screen performed before my phD, allowed to identify new candidates. The first part of my thesis was to verify the involvement of some of them in the IL-2R constitutive pathway and then to study their role in this pathway. Among them, 2 families of proteins were particularly interesting as they can curve membranes, phospholipases D and endophilins. The endophilin allowed the discovery of a new route called “Fast Endophilin Mediated Endocytosis” (FEME) in which it plays an essential role and which is used by numerous receptors that transmit signal. The FEME pathway shares several factors that are common with the IL-2 induced endocytosis pathway. Then, I conducted a work on the orchestration of endophilin and dynamin during the constitutive IL-2R endocytosis. Both factors are recruited at the end of the mechanism, to separate the vesicles from the plasma membrane. However, both proteins do not have the same orchestration. Our works show a distinct action of endophilin and dynamin in clathrin dependent and independent endocytosis.

Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat. / Itch is an ubiquitin ligase involved in protein recognition and degradation by the proteasome. Itch has three phosphorylation sites targeted by JNK. These sites overlap a small proline rich domain responsible for Itch binding to SH3 domain proteins. Phosphorylation of Itch is important for Itch interaction with c-Jun and JunB. However, little is known about Itch interaction with SH3 proteins and the impact of phosphorylation on Itch ability to recognize and ubiquitinate SH3 proteins. We created a phosphomimic mutant of Itch and a mutant of Itch that cannot be phosphorylated by JNK. We tested these mutants in interaction and ubiquitination assays to determine their effect on Itch ability to bind and ubiquitinate Endophilin, an SH3 domain protein. Phosphorylation is not a prerequisite for Itch binding to Endophilin but phosphorylation of Itch modulates Itch ability to ubiquitinate Endophilin. Phosphorylation of Itch also modulates Endophilin fate, as phosphomimic Itch induces degradation of Endophilin compared to non-phosphorylated Itch. These results show that phosphorylation regulates Itch activity towards differents substrates in different ways.

Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat. / Itch is an ubiquitin ligase involved in protein recognition and degradation by the proteasome. Itch has three phosphorylation sites targeted by JNK. These sites overlap a small proline rich domain responsible for Itch binding to SH3 domain proteins. Phosphorylation of Itch is important for Itch interaction with c-Jun and JunB. However, little is known about Itch interaction with SH3 proteins and the impact of phosphorylation on Itch ability to recognize and ubiquitinate SH3 proteins. We created a phosphomimic mutant of Itch and a mutant of Itch that cannot be phosphorylated by JNK. We tested these mutants in interaction and ubiquitination assays to determine their effect on Itch ability to bind and ubiquitinate Endophilin, an SH3 domain protein. Phosphorylation is not a prerequisite for Itch binding to Endophilin but phosphorylation of Itch modulates Itch ability to ubiquitinate Endophilin. Phosphorylation of Itch also modulates Endophilin fate, as phosphomimic Itch induces degradation of Endophilin compared to non-phosphorylated Itch. These results show that phosphorylation regulates Itch activity towards differents substrates in different ways.

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats. / Itch is the only C2-WW-HECT type ubiquitin ligase that can bind SH3 domain proteins. This domain is particularly frequent in accessory endocytic proteins. We have used Bioluminescent Resonance Energy Transfer to examine a few candidate endocytic proteins, in addition to the already known substrate of Itch, endophilin. We then used standard in vitro techniques to confirm these interactions, and tested Itch capacity to ubiquitylate these putative substrate proteins. We thus discovered two new substrates of Itch, amphiphysin and pacsin. We also determined that although Itch interacts with the isolated SH3 domains of intersectin, it does not recognize the full length protein, thus rulling out Intersectin as a substrate of Itch. Itch is thus a putatively important regulator of endocytosis, through its capacity to recognize and ubiquitylate several SH3-domain proteins.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats. / Itch is the only C2-WW-HECT type ubiquitin ligase that can bind SH3 domain proteins. This domain is particularly frequent in accessory endocytic proteins. We have used Bioluminescent Resonance Energy Transfer to examine a few candidate endocytic proteins, in addition to the already known substrate of Itch, endophilin. We then used standard in vitro techniques to confirm these interactions, and tested Itch capacity to ubiquitylate these putative substrate proteins. We thus discovered two new substrates of Itch, amphiphysin and pacsin. We also determined that although Itch interacts with the isolated SH3 domains of intersectin, it does not recognize the full length protein, thus rulling out Intersectin as a substrate of Itch. Itch is thus a putatively important regulator of endocytosis, through its capacity to recognize and ubiquitylate several SH3-domain proteins.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

ITCH est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans différents processus cellulaires. Elle contient une région riche en prolines (PRR, proline rich region) qui lui permet de lier le domaine SH3 (Src homology 3) d’Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Plusieurs de ces protéines sont impliquées dans l’endocytose clathrine-dépendante de récepteurs tel le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR, epidermal growth factor receptor). Après activation, l’EGFR est internalisé dans des vésicules enrobées de Clathrine et un complexe protéique formé par CBL, CIN85 et Endophiline participe à cet évènement. ITCH lie l’ubiquitine à CBL et à Endophiline pour vraisemblablement modifier leurs fonctions, ce qui suggère un lien direct entre cette ligase et l’endocytose de l’EGFR. Afin de déterminer le rôle d’ITCH dans ce processus, plusieurs expériences furent réalisées. Premièrement, la modalité de liaison entre la ligase ITCH et les protéines à domaine SH3 a été étudiée en détails. Une série de mutations dans la région PRR d’ITCH nous a aidé à identifier trois résidus arginines (R252, R255, R258) nécessaires pour son interaction avec Endophiline et d’autres protéines à domaine SH3. Deuxièmement, des lignées cellulaires HeLa et Cos7 furent modifiées génétiquement par CRISPR pour empêcher l’expression d’ITCH. Ces lignées cellulaires knockout furent caractérisées et utilisées dans un essai d’endocytose de l’EGFR, puis examinées par spectrométrie de masse. L’internalisation d’EGFR fut suivie en microscopie confocale à l’aide d’un ligand EGF fluorescent -/- dans les deux types de cellules ITCH . En absence d’ITCH, nous observons une diminution significative du niveau d’EGF internalisé par rapport aux cellules parentales. La surexpression d’ITCH dans les cellules ITCH-/- rétablit l’internalisation normale de l’EGF, confirmant l’implication d’ITCH dans le processus, mais la surexpression des formes mutantes de ITCH incapable de lier Endophiline ou catalytiquement inactive ne rétablit pas l’internalisation de l’EGF. Ces résultats nous permettent de conclure que l’interaction ITCH-Endophiline et la fonction catalytique de ITCH sont nécessaires pour l’endocytose de l’EGFR. Ensemble, ces deux fonctions de ITCH régulent le trafic endocytique de l’EGFR. De plus, les cellules ITCH-/- montrent un délai de dégradation de l’EGFR phosphorylé ainsi qu’une prolongation du temps d’activation de la kinase MAPK (mitogen-activated protein kinase). Finalement, pour explorer l’influence de l’absence d’ITCH sur ses substrats et partenaires moléculaires nous avons effectué une comparaison protéomique des partenaires d’interaction et des protéines ubiquitylées à partir des lysats cellulaires ITCH-/- et WT. Les résultats ont montré que le manque d’expression de la ligase ITCH altère la présence peptidique des protéines liées à la signalisation de l’EGFR, à la voie protéolytique dépendante de l'ubiquitine et à l’adhésion cellulaire. Cette étude révèle pour une première fois que la protéine ITCH est requise pour l’endocytose dépendante de la Clathrine de l’EGFR. / ITCH is a ubiquitin ligase involved in various cellular processes including endocytosis. It contains a proline rich region (PRR) which allows it to bind the SH3 domain of endophilin and other SH3 domain-containing proteins involved in Clathrin-mediated endocytosis (CME). CME is an important regulatory mechanism for growth factor receptor activity. The epidermal growth factor receptor (EGFR) is actively internalized in Clathrin-coated vesicles after activation. This endocytosis is facilitated by a protein complex formed by CBL, CIN85 and Endophilin. ITCH is known to ubiquitinate both CBL and endophilin, providing a potential functional link between the ligase and receptor internalization. In order to determine the role of ITCH in this process, several experiments were performed. First, the mapping of molecular binding sites between the ligase ITCH and SH3 domain proteins has been studied in detail. A series of mutations in the PRR region of ITCH helped us identify three arginine residues (R252, R255, R258) as necessary for its interaction with endophilin and all the tested SH3-domain containing proteins. Secondly, HeLa and Cos7 cell lines were genetically modified by CRISPR to prevent ITCH expression. These knockout cell lines were characterized for use in an EGFR endocytosis assay and for mass spectrometry analysis. EGFR internalization was monitored by confocal microscopy using fluorescent EGF ligand in both ITCH-/- cell types. In the absence of ITCH, a significant decrease in the level of internalized EGF compared to parental cells is visible. Overexpression of WT ITCH in the knockout cells restores normal internalization of EGF, confirming the involvement of ITCH in the process. Overexpression of Endophilin-binding defective or catalytically inactive ITCH does not restore the internalization of EGF in ITCH-/- cells. These results show that the ITCH- Endophilin interaction as well as the catalytic function of ITCH are necessary for the endocytosis of EGFR. In addition, ITCH-/- cells show a delay in the degradation of phosphorylated EGFR accompanied with an extended period of mitogen-activated protein kinase (MAPK) activation. In a last set of experiments, we explored the influence of the absence of ITCH on its substrates and molecular partners. We performed a proteomic comparison of ITCH-binding partners and potential substrates using the ITCH-/- and WT cell lysates. The results showed that the lack of ITCH expression alters the peptide count of proteins mainly related to EGFR signaling, theubiquitin-dependent proteolytic pathway and cell adhesion. This study shows for the first time that the protein ITCH is required for the clathrin-dependent endocytosis of EGFR.

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