Les exosomes sont des vésicules membranaires de 30 à 100 nm de diamètre, formées dans les endosomes multivésiculaires et sécrétées par la plupart des cellules. Les propriétés biophysiques et biochimiques des exosomes ainsi que les mécanismes permettant leur biogénèse et sécrétion ont fait l’objet de nombreuses études. Cependant, ces derniers sont encore méconnus, limitant l'analyse des fonctions des exosomes in vivo. Au moins deux mécanismes ont été proposés pour la biogénèse des exosomes : un mécanisme nécessiterait l’action de protéines impliquées dans le tri endosomal, les ESCRT (« endosomalsorting complex required for transport »). Un autre mécanisme serait indépendant de leur fonction. La sécrétion des exosomes, une fois générés dans les endosomes, requiert la petite GTPase, Rab27a, comme montré dans un modèle cellulaire humain. Mes travaux de thèse ont porté sur l’étude des mécanismes moléculaires impliqués dans la biogénèse et la sécrétion des exosomes. Une première étude visant à analyser la fonction de Rab27a dans des cellules murines, m’a permis de mettre en évidence l’existence de différentes populations d’exosomes, dont la sécrétion dépend ou non de Rab27a. Une deuxième étude a eu pour objectif d’analyser l’implication des ESCRT dans la biogénèse des exosomes dans des cellules HeLa CIITA. Le criblage d’une librairie d’ARN d’interférence dirigés contre les différentes protéines ESCRT, a permis l’identification de 7 molécules potentiellement impliquées dans cette voie : HRS, STAM1, TSG101, leur inactivation induisant la diminution de la sécrétion des exosomes. L’inactivation de CHMP4C, VPS4B,VTA1 et ALIX, au contraire, l’augmente. L’inhibition de l’expression de ces candidats suivie de l’analyse des exosomes sécrétés a démontré l’hétérogénéité des vésicules sécrétées, et une modification de leur taille et de leur composition protéique par rapport aux cellules contrôle. Plus particulièrement, l’inactivation d’ALIX induit une augmentation de lasécrétion d‘exosomes de plus grande taille, et l’enrichissement sélectif en molécules de CMH de classe II. En accord, j’ai montré que les cellules inactivées pour ALIX, aussi bien des cellules HeLa que des cellules dendritiques humaines ont une plus forte expression de CMH de classe II à la surface et dans des compartiments intracellulaires. Ces résultats suggèrent l’implication de certains membres de la famille ESCRT dans la voie de biogenèse et sécrétion des exosomes, ainsi qu’un rôle potentiel d’Alix dans le trafic des molécules CMH de classe II, et dans la modulation de la composition protéique des exosomes. / Exosomes are small membrane vesicles with sizes ranging from 30 to 100 nm in diameter, which are formed in multivesicular endosomes and secreted by most cell types. Numerous studies have focused on the biophysical and biochemical properties of exosomes, as well as the mechanisms of biogenesis and secretion of these vesicles. However, these aspects are not fully understood, which limits the analysis of the functions of exosomes in vivo. At least two mechanisms have been proposed for the biogenesis of exosomes : one would rely on the function of proteins involved in endosomal sorting, the ESCRT family (for “endosomal sorting complex required for transport”). Another mechanism would be independent of their activity. Once exosomes are formed in endosomes, their secretion requires the small GTPase RAB27A, as shown in a human cell line. The objective of my PhD project was to gain insights into the molecular mechanisms that drive exosome biogenesis and secretion. A first study performed to analyze the function of Rab27a in murine cells allowed me to show the existence of different populations of exosomes, dependent or not on Rab27a for their secretion. A second study was aimed at analyzing the involvement of ESCRT proteins in exosome biogenesis in HeLa-CIITA cells. Seven molecules potentially involved in this process were identified on the basis of the screening of an RNA interference library directed against the different ESCRT proteins: the inactivation of HRS, STAM1 and TSG101 induced a decrease in exosome secretion, whereas the down regulation of CHMP4C, VPS4B, VTA1 and ALIX increased it. Gene expression of the different candidate proteins was inhibited and exosomes secreted by these cells were analyzed: we showed the heterogeneity of the secreted vesicles, as well as an alteration of their size and protein composition, as compared to control cells. In particular, the inactivation of ALIX induced an increase in the secretion of larger vesicles, and the selective enrichment of these vesicles in MHC class II molecules. Accordingly, I showed that both HeLa-CIITA and human primary dendritic cells inactivated for ALIX possess a higher expression of MHC class II molecules at the cell surface and in intracellular compartments. These results suggest that some members of the ESCRT family are involved in the exosome biogenesis and secretion pathway, and propose a potential role of ALIX in the trafficking of MHC class II molecules and in the modulation of the protein composition of exosomes.

Chlamydia trachomatis est une bactérie intracellulaire obligatoire. Ce pathogène de l’Homme est la première cause infectieuse de cécité ainsi que de maladies sexuellement transmissible d’origine bacterienne.Utilisant une souche de C. trachomatis L2 exprimant une protéine fluorescente, nous avons développé des méthodes de microscopie et de cytométrie en flux permettant de suivre les différentes étapes du développement de la bactérie. Ces méthodes faciliteront les futures études de l’infection par Chlamydia.Chlamydia interagit avec différents processus cellulaires, et plus particulièrement via la sécrétion d’effecteurs par le système de sécrétion de type 3 (ST3). Nous avons identifié une famille de protéines possédant un signal de ST3 qui partagent un domaine, le DUF582, présent uniquement chez les Chlamydia pathogènes.Nous avons montré que les 5 protéines DUF582 de C. trachomatis sont exprimées à partir du milieu du cycle infectieux. Nous avons démontré que la protéine Hrs interagit avec le DUF582 et que la protéine DUF582 CT619 interagit avec Tsg101. Hrs et Tsg101 sont d’importants composants de la machinerie ESCRT impliquée dans de nombreux processus de fission membranaire.Utilisant l’interférence ARN, nous avons montré que Hrs et Tsg101 ne sont requis ni pour l’entrée, ni pour le développement de la bactérie. Ceci suggère que les protéines DUF582 bloquent des processus dépendant de Hrs/Tsg101. A l’inverse, la bactérie pourrait utiliser la machinerie ESCRT mais l’existence de mécanismes redondants expliquerait l’absence de phénotype dans les expériences d’interférence. Nous discutons trois hypothèses concernant le rôle des protéines DUF582 dans l’infection. / Chlamydia trachomatis is an obligate intracellular human pathogen. It is the first infectious cause of blindness and the most common cause of sexually transmitted diseases of bacterial origin. Using a strain of C. trachomatis serovar L2 expressing a fluorescent protein we developed microscopy and flow cytometry based methods to quantify several steps of its developmental cycle. These methods will facilitate future studies aimed at testing anti-bacterial compounds or various culture conditions. Chlamydiae interfere with many cellular processes, in particular via the secretion of bacterial proteins through a type 3 secretion (T3S) system. We identified a family of proteins that possess T3S signals. They share a domain designated as DUF582, which is only found in pathogenic chlamydiae. We showed that the five DUF582 proteins of C. trachomatis are expressed from the mid phase of infection. We demonstrated that the protein Hrs is a common interactor for the DUF582. In addition the N-terminal part of the DUF582 protein CT619 interacts with Tsg101. Hrs and Tsg101 are both important components of the ESCRT machinery, which is an ancient machinery required for several processes involving membrane fission.Using RNA interference we showed that Hrs and Tsg101 are dispensable for bacterial entry and growth. This last result suggest that DUF582 proteins actually prevent Hrs and/or Tsg101 driven processes. Alternatively, the bacteria might highjack the ESCRT machinery but redundant mechanisms would explain the absence of phenotype on bacterial development observed in the silencing experiments. We discuss three hypotheses as to the possible role of the DUF582 proteins in infection.

Les récepteurs marqués pour la voie de dégradation lysosomale sont retienu à la membrane endosomale par addition d'ubiquitine. L'invagination de la membrane endosomale incorpore ces récepteurs dans les vésicules intralumenal (ILVs) et mène à leur dégradation au lysosome. AMSH (Associated Molecule of the SH3 domain of STAM) contient un domaine métalloprotéase JAMM au niveau de sa partie C-terminale. Celui-ci a montré, in vitro, la capacité d'hydrolyser les chaînes d'ubiquitine de liaison K-63, laissant supposer une fonction d'élimination des ubiquitines par AMSH avant l'incorporation des récepteurs dans les ILVs. AMSH interagit aussi avec les protéines CHMP (Charged Multivesicular body Protein) d'ESCRT-III (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-III) via un N-terminal AMSH MIT domaine. De plus, la liaison d'AMSH avec un domaine C-terminal autoinhibitoire des protéines CHMP a impliqué AMSH dans l'activation de la polymérisation des protéines CHMP, occasionnant un remodelage membranaire suivi de la formation des vésicules. Ce travail montre que AMSH se lie à deux formes de CHMP3; la forme ouverte et active, et la forme fermée et autoinhibée. L'interaction du domaine N-terminal d'AMSH avec ces deux formes de CHMP3 fut évaluée à l'échelle nanomolaire par isothermal titration calorimetry. La structure cristallographique du complexe AMSH domaine N-terminal CHMP3 fut résolue à 1.7Å. Celle-ci présente un mode de liaison CHMP différent des structures déjà déterminées et dévie de l'architecture classique du domaine MIT. On montre que les domaines N-terminal et JAMM d'AMSH interagissent entre eux, et que cette interaction stimule l'activité déubiquitinase du domaine JAMM.

La voie endo-lysosomale dirige les récepteurs membranaires vers le processus de dégradation lysosomale. En bref, les récepteurs sont marqués par l'ubiquitine, envoyés vers les endosomes précoces puis, pris en charge pas le système ESCRT (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) et intégrés dans des vésicules intraluminales. Ce système est composé des complexes ESCRT-0, I, II, II et VPS4. Certaines protéines ESCRT sont aussi recrutées lors de processus topologiquement similaires comme la cytokinèse ou le bourgeonnment viral de certains virus enveloppés. AMSH (Associated Molecule of the SH3 domain of STAM) est une ubiquitine-hydrolase associée au système ESCRT qui hydrolyse les chaînes d'ubiquitine liées par leur lysine K63. Elle interagit directement avec ESCRT-0 via la sous-unité STAM et avec les membres CHMP1A, 1B et 3 d'ESCRT-III. Bien qu'AMSH pourait recruter ces protéines ESCRT ou être elle-même recrutée par celles-ci, le mécanisme d'activation de son activité d'hydrolase est encore méconnu. Afin de mieux comprendre les bases structurales de l'activation d'AMSH, j'ai essayé danalyser des formes recombinantes de cette protéine par cristallographie aux rayons X et par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ce qui m'a permis d'obtenir deux modèles à basse résolution. De plus, j'ai caractérisé par SPR (Surface Plasmon Resonance) les interactions entre AMSH et CHMP1A, 1B et 3 et déterminé les résidus clefs du dernier complexe. Cela a montré que les surfaces d'interaction employées par le domaine MIT d'AMSH ne sont pas les mêmes pour CHMP3 et CHMP1A/1B. J'ai aussi découvert que l'activité enzymatique d'AMSH seule est très faible ce qui impliquerait une auto-inhibition en solution. L'hydrolyse des chaînes d'ubiquitine liées par leur lysine K63 pourrait alors être activée par une construction de STAM comprenant le domaine SH3 ainsi que les domaines liant l'ubiquitine VHS et/ou UIM.

Ce travail de thèse s'est concentré sur l'étude de la protéine CHMP2B. Cette protéine fait partie du complexe ESCRT-III, impliqué dans divers processus de fissions membranaires à topologies inversées (genèse ces corps multivésiculés, cytokinèse, bourgeonnement des virus enveloppés, autophagie). Des mutations dans le gène codant pour CHMP2B ont été très fortement corrélées à la survenue de maladies neuro-dégénératives (démences fronto-temporales et amyotrophie latérale spineuse). Ce travail a consisté à préciser les mécanismes moléculaires d'action de cette protéine afin de mieux cerner les causes potentielles des ces dysfonctionnements. Il se divise en trois sous parties: - L'étude du l'import potentiel de CHMP2B dans les mitochondries, et de son rôle dans la dynamique mitochondriale. - Le rôle de CHMP2B et l'impact de mutants pathogènes dans la morphogénèse des épines dendritiques. - L'étude de la formation de d'hyper-complexes tubulaires de CHMP2B déformants la membrane plasmique. Nous avons ainsi pu montrer les propriétés suivantes: L'extinction de CHMP2B semble inhiber la fission des mitochondries par un mécanisme qui reste à préciser. L'expression des mutants de CHMP2 liés aux démences fronto-temporales perturbe la morphogénèse des épines dendritiques. Cette altération pourrait participer à l'émergence progressive des symptômes de la FTD. La littérature suggère que les fonctions que CHMP2B concernent des organelles cytoplasmiques (endosomes tardifs, autophagosomes,centrosome). Nous avons montrés que cette protéine est principalement recrutée à la membrane plasmique, où elle se polymérise en une structure tubulaire rigide capable de déformer cette bicouche lipidique.

Le bourgeonnement est l'étape finale du cycle viral du virus VIH. Les particules virales vont devoir modifier la topologie de la membrane plasmique afin de promouvoir leur libération dans le milieu extracellulaire ; cette étape est réalisée par le recrutement de protéines ESCRT (en particulier CHMP4 et CHMP2) au point de bourgeonnement. A ce jour, les détails moléculaires de ce recrutement sont méconnus. Lethal Giant Discs (LgD) a été décrite dans la littérature comme un régulateur du traffic endosomal, et une interaction avec CHMP4B a été proposée pour l'orthologue humain CC2D1A. Un point majeur de ce travail aura été de caractériser l'interaction CC2D1A.CHMP4B, mais également de mieux comprendre l'organisation de la protéine. En particulier j'ai résolu la structure d'un fragment de LgD à 2.4 Å, comprenant une région hélicale et un domaine C2 en c-terminal. En outre, nous montrons que CC2D1A inhibe la capacité de CHMP4B à polymériser in vitro. A partir d'une structure cristallographique de CHMP4B et de données biochimiques, nous montrons que le site d'interaction de CC2D1A sur CHMP4B est impliqué dans la polymérisation de CHMP4B, et important pour la fonction de la protéine dans le contexte du bourgeonnement du HIV. Un projet parallèle m'a également conduit à définir un protocole de purification de la protéine CHMP2B recombinante sous forme monomérique, cet isoforme ayant été récemment impliqué dans la formation de structures tubulaires à la membrane plasmique et dans des activités de scission membranaire. En particulier, j'ai pû caractériser la protéine en présence de liposomes et préciser de nouveaux partenaires cellulaires.

Archaea is one of the three domains of life and studies of archaeal biology are important for understanding of life in extreme environments, fundamental biogeochemical processes, the origin of life, the eukaryotic cell and their own, unique biology. This thesis presents four studies of the archaeal cell, using the extremophilic Sulfolobus and ocean living Nitrosopumilus as model systems. Cell division in crenarchaea is shown to be carried out by a previously unknown system named Cdv (cell division). The system shares homology with the eukaryotic ESCRT-III system which is used for membrane reorganization during vesicle formation, viral release and cytokinesis. Organisms of the phylum Thaumarchaeota also use the Cdv system, despite also carrying genes for the euryarchaeal and bacterial cell division system FtsZ. The thaumarchaeal cell cycle is demonstrated to be dominated by the prereplicative and replicative stage, in contrasts to the crenarchaeal cell cycle where the cell at the majority of the time resides in the postreplicative stage. The replication rate is remarkably low and closer to what is measured for eukaryotes than other archaea. The gene organization of Sulfolobus is significantly associated with the three origins of replication. The surrounding regions are dense with genes of high importance for the organisms such as highly transcribed genes, genes with known function in fundamental cellular processes and conserved archaeal genes. The overall gene density is elevated and transposons are underrepresented. The archaeal virus SIRV2 displays a lytic life style where the host cell at the final stage of infection is disrupted for release of new virus particles. The remarkable pyramid-like structure VAP (virus associated pyramids), that is formed independently of the virus particle, is used for cell lysis. The research presented in this thesis describes unique features of the archaeal cell and influences our understanding of the entire tree of life.

Peroxisome biogenesis is complex, involving a diverse array of intracellular pathways and mechanisms that mediate their biogenesis and cellular functions. Relevant to our understanding of peroxisome biogenesis is the utilization of peroxisomal membranes for viral genome replication as observed in plant cells infected by several members of the Tombusviridae family of positive-strand RNA viruses. Tomato Bushy Stunt Virus (TBSV), for instance, usurps an array of host factors that facilitate the transformation of peroxisomes into peroxisomal multivesicular bodies (pMVB) the sites of viral RNA replication. In this study, pMVB topology and biogenesis was investigated using transmission electron and epifluorescence microscopy of tobacco and wildtype or mutant budding yeast that were transformed with TBSV replicase proteins and a defective interfering viral RNA. Overall, the results suggest that host-virus interactions specifically associated with Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT) and lipid metabolism are involved in TBSV replication and pMVB biogenesis.

Histones are chromatin-associated proteins localized to the nucleus. However, extracellular histones are present in biofluids from healthy individuals and become elevated under disease conditions, such as neurodegeneration and cancer. Hence, extracellular histones may have important biological functions in healthy and diseased states, which are not understood. Histones have been reported in the proteomes of extracellular vesicles (EVs), including microvesicles and exosomes. The main aim of this thesis was to determine whether or not extracellular histones are secreted via EVs/exosomes. In an initial study (Paper I), I optimized methods for human embryonic kidney (HEK293) cell culture, transfection and protein detection using western blotting. In the main study (Paper II), I used oligodendrocyte cell lines (rat OLN-93 and mouse Oli-neu) to investigate the localization of histones to EVs. Western blotting of EVs purified from OLN-93 cell-conditioned media confirmed the presence of linker and core histones in them. Immunolocalization and transmission electron microscopy confirmed that histones are localized to EVs, as well as intraluminal vesicles (ILVs) within multivesicular bodies (MVBs). This suggests that histones are secreted via the MVB/exosome pathway. Localization of histones in EVs was investigated by biochemical/proteolytic degradation and purification followed by western blotting. Surprisingly, histones were associated with the membrane but not the luminal fraction. Overexpression of tagged histones in HEK293 cells confirmed their conserved, membrane localization. OLN-93 cell EVs contained both double stranded and single stranded DNA but nuclease and protease digestion showed that the association of histones and DNA with EVs was not interdependent. The abundance of histones in EVs was not affected by differentiation in Oli-neu cells. However, histone release was upregulated as an early response to cellular stress in OLN-93 cells and occurred before the release of markers of stress including heat shock proteins. Interestingly, a notable upregulation in secretion of small diameter (50-100 nm) EVs was observed following heat stress, suggesting that a sub-population of vesicles may be involved specifically in histone secretion in response to stress. Proteomic analyses identified the downregulation of endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) as a possible mechanism underlying increased histone secretion. In Paper III, I developed methods to quantify extracellular histone proteins in human ascites samples from ovarian cancer patients.   In summary, we show for the first time that membrane-associated histones are secreted via the MVB/exosome pathway. We demonstrate a novel pathway for extracellular histone release that may have a role in both health and disease.

Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) has a large linear double-stranded DNA genome in an icosahedral capsid shell, a cell-derived lipid envelope and a proteinaceous tegument layer. There are over fifty viral proteins and many host proteins identified in HSV-1 virions. The final formation of mature virus particles requires the membrane wrapping of tegumented capsids in the cytoplasm, a process termed secondary envelopment. This process involves the coordination of numerous viral and cellular proteins and results in double-membrane structures with enveloped virions contained within cellular vesicles. Mature viruses are then released through the fusion of these virion-containing vesicles and plasma membranes. This thesis describes investigation into the functions of viral glycoprotein M (gM) and the cellular Endosomal Sorting Complexes Required for Transport (ESCRT) in secondary envelopment. Firstly, it has been reported that gH/L can be efficiently internalised and targeted to the TGN by the co-expression of gM in transfection assays. In order to examine the role of gM in guiding the localisation of viral proteins in infected cells, a HSV-1 gM deletion virus (∆gM), and its revertant virus were constructed. The major phenotype demonstrated was that the absence of gM caused the internalisation of cell surface gH/L to be inhibited and higher levels of gH/L to be observed on the cell surface. Further, lower levels of gH/L were detected in purified ∆gM virions, which was in agreement with the delayed entry kinetics, smaller plaque sizes and greater replication deficits at low multiplicity of infection observed in ∆gM infected cells. Over all the results presented in this thesis demonstrate that in infected cells the efficient incorporation of gH/L into virions relies on the function of gM in HSV-1. Secondly, during HSV-1 secondary envelopment the budding and scission of the viral envelope from the host membrane share topological similarities with the formation of intraluminal vesicle in multivesicular bodies, retrovirus budding, and abscission at the end of cytokinesis, processes that require the cellular ESCRT machinery. There are four multiprotein ESCRT complexes and many associated proteins involved in their regulation. It has been previously shown that the ESCRT-III complex and a functional ATPase VPS4 are required for HSV-1 secondary envelopment, but different from the strategy utilised by HIV-1, the recruitment of ESCRT during HSV-1 infection is independent of TSG101 and/or ALIX. Data presented in this thesis demonstrate that CHMP4A/B/C proteins of the ESCRT-III complex are specifically crucial for HSV-1 secondary envelopment. Simultaneous depletion of CHMP4A/B/C proteins significantly inhibited HSV-1 replication. Ultrastructure analysis revealed that there were virtually no extracellular virions in CHMP4A/B/C depleted samples while more free capsids were observed in the cytoplasm, although the nuclear capsids and primary envelopment events appeared to be normal. In order to identify interactions between HSV-1 and ESCRT proteins, 22 HSV-1 tegument proteins were cloned and tested against a panel of ESCRT and ESCRT-associated proteins in yeast two-hydrid assays. Analysis of positive hits from yeast two-hybrid interaction screens using GST pull-down, co-immunoprecipitation and protein co-localisation assays have validated interactions of pUL47 with CC2D1A/1B, CIN85, CHMP6 and ALIX, pUL46 and pUL49 with CC2D1A/1B and CIN85, and pUL16 with CC2D1A/1B. Furthermore, the newly identified ESCRT associated proteins CC2D1A and CC2D1B have been detected in purified virions. The role of the identified ESCRT proteins in HSV-1 replication has been investigated using siRNA depletion. Unfortunately siRNA depletions of the various ESCRT candidates individually or in combinations did not show any significant effect on HSV-1 replication. Overall these data suggest that unlike HIV and other retroviruses, HSV-1 has evolved multiple parallel pathways to hijack the ESCRT machinery to facilitate its replication, particularly, through the interactions that lead directly to the recruitment of CHMP4A/B/C proteins. Disruption of some of these pathways did not prevent HSV-1 replication in tissue culture, suggesting any one potential pathway is sufficient for ESCRT recruitment to sites of HSV-1 assembly.