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L’homéostasie cellulaire est intimement liée au trafic membranaire, processus dynamique qui permet les échanges de lipides et de protéines entre les compartiments cellulaires mais aussi entre la cellule et le milieu extracellulaire. L’intersectin-1 (ITSN1) est une protéine d’échafaudage multifonctionnelle, impliquée dans les processus d’endocytose, d’exocytose, diverses voies de signalisation ainsi que dans la survie cellulaire. L’ensemble de mes travaux de doctorat a permis d’identifier deux nouveaux partenaires de l’ITSN1, RhoU et l’OPHN1, et de montrer leur implication dans le trafic membranaire. De plus je démontre que les variants d’épissage de l’ITSN1 pourraient avoir une spécificité d’interactiondifférente vis-à-vis de ses partenaires. Nous montrons aussi que l’ITSN1 est capable de former des complexes entre ses différentes isoformes. Ainsi, l'ensemble de ces données apportent de nouvelles connaissances sur l’interactôme d’ITSN1. / The cellular homeostasis is tightly linked to the membrane trafficking, a dynamic process which allows lipid and protein exchange between the cellular compartments as well as the cell and the environment. Intersectin1 (ITSN1) is a multifunctional scaffold protein implicated in the processes of endocytosis and exocytosis, different signaling pathways and cell survival. In present study I have identified two new partners of ITSN1, RhoU and OPHN1, and demonstrated their implication in membrane trafficking. Surprisingly, I have also found that the alternative splicing of ITSN1-L can lead to the change of the specificity of its interaction with binding partners. In addition, I have shown that different ITSN1 isoforms are capable to form complexes with each other. All together these data add new knowledge to ITSN1 interactome.

Les cellules neuroendocrines sécrètent hormones et neuropeptides dans la circulation sanguine par un processus d’exocytose régulée par le calcium. Engendrant un apport de membrane important à la surface cellulaire, l'exocytose doit être suivie par un processus d’endocytose compensatrice afin de maintenir l’homéostasie cellulaire et assurer le recyclage des composés vésiculaires. La connaissance précise des mécanismes moléculaires qui régulent la sécrétion neuroendocrine est primordiale. En effet, de nombreux cancers neuroendocrines sont associés à un dysfonctionnement de la sécrétion hormonale. Bien que connus des cliniciens, les mécanismes cellulaires et moléculaires qui induisent de telles perturbations de sécrétion restent à ce jour inexplorés. Les travaux réalisés au laboratoire démontrent que la sécrétion hormonale dans les cellules neuroendocrines est contrôlée par RhoA, Rac1 et Cdc42, trois GTPases de la famille Rho. Néanmoins, les voies moléculaires contrôlant le cycle d’activation-inactivation de ces GTPases Rho lors de l’exocytose sont peu connues. Mon projet de thèse s’est articulé autour de deux axes principaux. Un premier objectif fut d’étudier, au cours de la sécrétion neuroendocrine, l’implication potentielle de l’oligophrénine-1, une protéine GAP capable d'inactiver certaines GTPases Rho. En utilisant les cellules chromaffines de la glande surrénale comme modèle cellulaire, j'ai découvert un double rôle de la protéine oligophrénine-1. En effet, en inactivant RhoA, l’oligophrénine-1 permettrait la mise en place du pore de fusion nécessaire à l'exocytose tandis que par le biais de son domaine BAR, elle contrôle l'endocytose compensatrice. Mon second objectif fut d’appréhender les bases cellulaires et moléculaires à l’origine du dysfonctionnement de la sécrétion dans les cancers neuroendocrines en utilisant les phéochromocytomes humains comme modèle expérimental. En combinant des analyses ampérométriques et protéomiques sur des tumeurs humaines, j'ai pu montrer que l'hypersécrétion catécholaminergique des phéochromocytomes est bien la conséquence d’une augmentation de l’activité sécrétrice. J'ai également pu identifier des acteurs protéiques, dont plusieurs modulateurs des GTPases de type Rho, qui pourraient être impliqués dans ces défauts de sécrétion. L’ensemble de mon projet de thèse m’a permis de mieux comprendre les mécanismes de régulation des GTPases Rho au cours de la sécrétion mais également de proposer les premières bases moléculaires et cellulaires abordant les perturbations de la sécrétion dans les tumeurs neuroendocrines. / Neuroendocrine cells release hormones and neuropeptides in the bloodstream through a calcium regulated exocytosis process. This process leads to an important increase of membrane at the cell surface which needs to be compensated through endocytosis in order to maintain cell homeostasis as well as the recycling of vesicular compounds. Many neuroendocrine cancers have been associated with a dysfunction in hormone secretion, urging toward a need to understand the molecular mechanisms which regulate neuroendocrine secretion. Even though these perturbations are known at a clinical level, the underlying cellular and molecular mechanism remains to be unraveled. Previous works in the team demonstrate that hormone secretion is regulated by RhoA, Rac1 and Cdc42, which are all GTPases of the Rho family. Nevertheless the molecular pathways which control the activation and inactivation cycle of these RhoGTPases during exocytosis remain unknown. My PhD project covered essentially two aspects. My first goal was to characterize the potential role of oligophrenin-1, a GAP protein which can inactivate Rho-GTPases, in neuroendocrine secretion. By using adrenal gland chromaffin cells as a cellular model, I have discovered a dual role for oligophrenin-1. Indeed, through RhoA inactivation, oligophrenin-1 allows the set up of a fusion pore, which is necessary for exocytosis, while controlling through the BAR domain the compensatory endocytosis. My second goal was to characterize the molecular and cellular basis which leads to a secretion dysfunction in neuroendocrine cancers by using human pheochromocytomas as an experimental model. By combining amperometric and proteomic analyses on human tumors, I was able to demonstrate that pheochromocytoma catecholaminergic secretion was indeed due to an increase in secretion activity. I could also identify major actors, including several Rho GTPase modulators, which could be implied in these secretion defects. All together, these approaches gave me a better understanding of RhoGTPase regulation during secretion but also an insight into the molecular and cellular basis of impaired secretion in neuroendocrine tumors.

Le maintien de l’homéostasie passe notamment par la sécrétion d’hormones provenant des cellules neuro-endocrines ou endocrines telles que les cellules chromaffines ou les cellules b pancréatiques. Par exemple, la régulation de la glycémie nécessite l’exocytose de l’insuline depuis les cellules b pancréatiques des îlots de Langerhans. Une famille de protéines membranaires est au cœur de la machinerie de fusion d’une vésicule avec la membrane plasmique. Ce groupe appelé, la famille des protéines SNARE est composé de trois protéines. VAMP2 est localisée à la membrane vésiculaire alors que syntaxine 1A et SNAP25 sont localisées à la membrane plasmique. Syntaxine 1A et VAMP2 ont un domaine transmembranaire alors que SNAP25 est reliée à la membrane par prénylation de résidus cystéine. Cette famille forme le complexe cytosolique SNARE décrit comme essentiel à l’exocytose. La structure et la fonction du complexe cytosolique ont été étudiées en profondeur et ont mené au modèle du « zipper ». Celui-ci décrit un enroulement progressif des domaines cytosoliques SNARE permettant l’apposition des membranes puis la fusion. Le rôle des domaines transmembranaires reste encore peu décrit. Pourtant, leur étude est nécessaire afin d’établir un modèle complet de la fusion membranaire par les protéines SNARE. Nous avons donc mené une étude alliant une analyse structurale dynamique à une analyse biologique pour déterminer l’importance du domaine transmembranaire de VAMP2 dans la sécrétion. L’analyse biologique représente donc le centre de ma thèse. Le système biologique utilisé est basé sur l’extinction de l’expression de la protéine VAMP2 endogène et l’expression concomitante d’une protéine VAMP2 mutée dans son domaine transmembranaire. Deux lignées cellulaires considérées comme des modèles dans l’étude de la sécrétion hormonale et du trafic vésiculaire ont servi de support à notre étude. Par des approches de microscopies (confocal, TIRF) et d’analyses biochimiques, nous avons observé les conséquences fonctionnelles des mutations ponctuelles, établis par mutagénèse dirigée, sur le trafic vésiculaire et sur la capacité des cellules à sécréter.Les mutations induites présentent différents effets cellulaires. Certaines bloquent la sortie de VAMP2 du réseau golgien alors que d’autres ont un effet important sur la sécrétion hormonale et plus précisément sur l’exocytose. Les études structurales ont permis de corréler ces effets avec une diminution de la flexibilité structurale dans le cas de la diminution de l’exocytose, ou avec une restriction à la conformation hélice alpha dans le cas du sorting. Ce projet pluridisciplinaire a pu mettre en avant le rôle biologique du domaine transmembranaire de VAMP2 au cours de l’exocytose probablement soutenue par la dynamique conformationelle unique observée par le versant structural du projet. / The hormonal secretion plays a key role in the maintenance of homeostasis. For example, the maintenance of normoglycaemia requires insulin exocytosis from the pancreatic beta cells. The SNARE membrane family protein has been described as the core machinery of fusion between the vesicle containing hormones and the plasma membrane. This family consists of 3 different membrane proteins that are essential during exocytosis. VAMP2 is localized on the vesicle and Syntaxin 1A - on the plasma membrane. They both are transmembrane protein whereas SNAP25 is linked to the plasma membrane by palmitoylation. The SNAREs appear to be essential as they form the cytosolic SNARE complex to dock the vesicle to the plasma membrane. Even though the role of this cytosolic domain has been studied in depth, much less is known on the role of their transmembrane domain during the fusion. Their study remains necessary to establish a complete model of membrane fusion mediated by the SNARE proteins.Here, we have studied the behavior and the role of the SNARE transmembrane domain during exocytosis. In a multidisciplinary project, we have combined a structural approach with a biological study to evaluate the role of this domain. Using mutagenesis in the transmembrane domain of VAMP2 and a cellular system with a clean background, we have assessed the effect of mutations on the secretion and exocytosis in two different cell lines (INS1E and PC12). The biological system is based on the silencing of endogenous VAMP2 and reconstitution of the expression of VAMP2 wt or mutated in the transmembrane domain. Using biochemistry assay and TIRF microscopy we have shown that mutations in this domain can lead to a missorting of the Golgi apparatus or a reduction of the stimulated secretion and exocytosis. This effect can be correlated to a modification of the structural dynamics of this domain.The obtained results clearly demonstrate the role of the transmembrane domain of VAMP2 during exocytosis probably sustained by its unique structural dynamics observed by physico-chemistry.

During the course of evolution the early land plants gained extensive innovations that can be seen in modern day plants. The polar growth is an ancient feature of eukaryotic cells and is one of preadaptations that helped plants in successful colonization of land. The polar growth in plants regulates not only the direction of cell expansion and structural properties of cell wall but especially also the orientation of cell division, and is governed by various factors, including the exocyst complex. The exocyst is a well conserved vesicle tethering multi-subunit complex involved in tethering of secretory vesicles to the target membrane. The essential role of the exocyst complex in regulation of various cellular processes in Angiosperms is now well documented. Here I present results of a doctoral project that contributed to phylogenetic analyses of the land plant exocyst complex and especially to uncovering functions of three moss exocyst subunits, namely EXO70 (isoform PpEXO70.3d), SEC6 and SEC3 (isoforms PpSEC3A and PpSEC3B) in the model organism Physcomitrella patens. Various knock-out (KO) mutants in several moss exocyst subunits (Ppexo70.3d, Ppsec6, Ppsec3a and Ppsec3b) show pleiotropic defects directly or indirectly linked to the cell polarity regulation. Cell elongation and differentiation,...

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Polyunsaturated fatty acids (PUFA) have been used with some success in the treatment of canine atopic dermatitis (CAD). Correspondent in vitro studies revealed that PUFA play a crucial role in the exocytosis of mast cells. n3 PUFA such as α-linolenic acid (LNA), eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA), as well as the n6 PUFA linoleic acid (LA) have been shown to arrest the secretion of inflammatory mediators. Contrary, the n-6 PUFA arachidonic acid (AA) has been proven to promote the production of mast cell inflammatory mediators. However, we are still lacking a complete picture of the mode of action. The goal of this work was to further characterize the modulatory effects of PUFA supplementation on the plasma membrane lipid composition of mast cells. Furthermore the consequences of a membrane modulation of mast cells by PUFA on the localization and activity on of the membrane bound enzyme phospholipases D (PLD) were investigated. Canine mastocytoma cells (C2) were supplemented with one of the following PUFA: LNA, EPA, DHA, LA or AA. To investigate the influence of PUFA on the lipid composition of membrane microdomains, lipid rafts were separated from non-raft plasma membranes of mast cells for the first time using a detergent-free isolation technique. Results show that PUFA are significantly increased in rafts as well as in non-rafts microdomains (Publication 1). The incorporation of PUFA into the membrane goes along with an increase of the unsaturation status and the fluidity of the membrane. This rise in membrane fluidity may result in a reorganization of membrane signaling molecules and enzymes such as the PLD. To define the impact of a PUFA supplementation on PLD trafficking, C2 were transfected with green fluorescent protein (GFP) fusion plasmids encoding PLD1 or PLD2. Since the transfection ability of the suspension cell line C2 is limited, a special transfection protocol was established, suitable for non-adherent cell lines. Transfection succeeded using chicken egg white as coating material for the cell culture plates. The transfection efficiency rose to 50% versus 5% in uncoated plates. In addition to the obvious increase in the transfection efficiency, the new technique is simple and economic and might be suitable for a wide range of suspension cell lines (Publication 2). Using this optimized protocol the influence of PUFA on the trafficking of PLD isoforms was studied. LNA, EPA, DHA and LA but not AA prevented the stimulation-induced translocation of PLD1 to the plasma membrane. Since the translocation of PLD1 is important for mast cell exocytosis, LNA, EPA, DHA and LA do have an inhibiting effect on the stimulation-induced release of pro-inflammatory mediators. All PUFA tested boosted the total PLD activity. In order to rule out, which PLD isoform was affected by the PUFA, the mast cells were supplemented with DHA or AA in the presence of specific PLD isoform inhibitors. DHA completely abolished the inhibitiory effect of the PLD1 inhibitor but had no effect on the inhibitory effect of PLD2 inhibitor. On the other hand, AA suppressed the inhibitory effect of both PLD1 and PLD2 inhibitor (Publication 3). Taking together, the studies provide a mechanistic base for the role of PUFA in the exocytosis processes of mast cells. PUFA of the n3 and the n6 families impact the lipid composition of membrane microdomains, which in turn lead to a modulation of the physiochemical properties of the membrane. LNA, EPA, DHA and LA suppress the release of inflammatory mediators through their inhibitory action on the stimulation-induced translocation of the PLD1. Contrariwise, AA permits the stimulation-induced migration of PLD1 to the plasma membrane and increases the activity of both PLD isoforms. Therefore, LNA, EPA, DHA and LA but not AA inhibit the release of mast cell inflammatory mediators upon stimulation. / Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) können mit einigem Erfolg zur Behandlung der caninen atopischen Dermatitis (CAD) eingesetzt werden. In vitro-Studien zeigten, dass PUFA eine entscheidende Rolle in der Exozytose von Mastzellen spielen. N-3-PUFA wie α-Linolensäure (LNA), Eicosapentaensäure (EPA), Docosahexaensäure (DHA) sowie die n-6-PUFA Linolsäure (LA) können die Sekretion von Entzündungsmediatoren vermindern. Arachidonsäure (AA) als n-6 mehrfach ungesättigte Fettsäure hingegen fördert die Entzündungsmediatoren-Freisetzung aus den Mastzellen. Eine vollständige Aufklärung der Wirkungsweise fehlt aber weiterhin. Das Ziel dieser Arbeit war eine weitergehende Charakterisierung der modulierenden Effekte einer PUFA-Supplementierung auf die Lipidzusammensetzung der Plasmamembran von Mastzellen. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen von PUFA auf die Lokalisation und Aktivität des Membran-gebundenen Enzyms Phospholipase D (PLD) untersucht. Canine Mastozytom-Zellen (C2) wurden mit einer der folgenden PUFA kultiviert: LNA, EPA, DHA, LA oder AA. Um den Einfluss von PUFA auf die Lipidzusammensetzung der Membran-Mikrodomänen zu untersuchen, konnten sowohl Lipid Raft als auch Nicht-Raft Plasmamembran-Anteile von Mastzellen zum ersten Mal mittels einer Detergenzien-freien Isolationsmethode getrennt werden. Hervorzuheben ist, dass PUFA signifikant vermehrt in Raft- sowie in Nicht-Raft Membranmikrodomänen eingelagert werden (Publikation 1). Die Integration von PUFA in die Membran geht mit einer Steigerung der Doppelbindungsanzahl und der Fluidität der Membran einher. Diese Erhöhung der Membranfluidität kann zu einer Reorganisation von membranären Signalmolekülen und Enzymen wie der PLD führen. Um die Auswirkungen einer PUFA-Supplementierung auf den intrazellulären Transport der PLD in C2 zu bestimmen, wurden die Zellen mit PLD1- oder PLD2-codierenden grün fluoreszierenden Protein-(GFP-)Fusionsplasmiden transfiziert. Da die Transfektionsfähigkeit der Suspensions-Zelllinie C2 begrenzt ist, wurde ein für nicht-adhärente Zelllinien geeignetes Transfektionsprotokoll etabliert. Mit Hühnereiweiß als Beschichtungsmaterial für die Zellkultur-Platten stieg die Transfektionseffizienz auf 50% im Vergleich zu 5% bei unbeschichteten Platten. Neben der deutlichen Erhöhung der Transfektionseffizienz ist die neu etablierte Technik einfach durchzuführen sowie wirtschaftlich und kann für eine Vielzahl von Suspension-Zelllinien geeignet sein (Publikation 2). Unter Verwendung dieses optimierten Protokolls wurde der Einfluss von PUFA auf die Translokation der PLD-Isoformen untersucht. LNA, EPA, DHA und LA, nicht aber AA verhindern die stimulationsinduzierte Translokation der PLD1 an die Plasmamembran. Die Translokation der PLD1 ist wichtig für die Mastzell-Exozytose. LNA, EPA, DHA und LA haben hier eine hemmende Wirkung auf die stimulationsinduzierte Freisetzung von proinflammatorischen Mediatoren. Alle getesteten PUFA verstärken die Gesamt-PLD-Aktivität. Um zu unterscheiden, welche PLD-Isoform durch PUFA beeinflusst ist, wurden die Mastzellen mit DHA oder AA in Gegenwart von PLD-Isoform-Inhibitoren supplementiert. DHA hebt die inhibitorische Wirkung des PLD1-Inhibitors vollständig auf, zeigte aber keinen Einfluss auf die hemmende Wirkung des PLD2-Inhibitors. Andererseits unterdrückt AA die hemmende Wirkung des PLD1- als auch des PLD2-Inhibitors (Publikation 3). Zusammenfassend bietet die Studie eine mechanistische Basis für die Rolle von PUFA bei Exozytose-Prozessen von Mastzellen. PUFA der n-3- und n-6-Familie beeinflussen die Lipidzusammensetzung von membranären Mikrodomänen, was wiederum zu einer Modulation der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran führt. LNA, EPA, DHA und LA verhindern die Freisetzung von Entzündungsmediatoren durch ihre hemmende Wirkung auf die stimulationsinduzierte Translokation der PLD1. Umgekehrt erlaubt AA eine stimulationsinduzierte Migration der PLD1 zur Plasmamembran und steigert die Aktivität der beiden Isoformen der PLD. Somit hemmen LNA, EPA, DHA und LA, aber nicht AA die Freisetzung von Mastzell-Entzündungsmediatoren nach Stimulation.