L’introduction commence avec la description de toxines d’origines bactérienne et végétale, en particulier la toxine Shiga ainsi que les toxines de la même famille (chapitre 9.1.2). Les petites molécules inhibitrices de ces toxines sont ensuite résumées dans le chapitre 9.1.3, en particulier le composé Retro-2. L’efficacité de ces toxines à atteindre leurs cibles reposant sur le trafic intracellulaire, un aperçu général de l’endocytose et du trafic endosomal sont présentés (chapitre 9.2). Puis, l’entrée de la voie rétrograde est décrite (chapitre 9.2.5), avec un intérêt particulier porté sur la clathrine, le rétromère et GPP130, une protéine qui circule de manière continue entre le Golgi, la membrane plasmique et les endosomes. Les protéines SNARE, en particulier la syntaxine-5 et le syntaxine-16, sont ensuite introduites (chapitre 9.2.6). Après une brève section sur les micro-ARNs de la famille 199 (chapitre 9.3), l’introduction se termine avec la description des techniques clés utilisées au cours de mon travail, tels que la chimie click bio-orthogonale, la synchronisation du trafic antérograde par rétention grâce à des hameçons spécifiques (RUSH), et la ligation par proximité basé sur des anticorps (chapitre 9.4).Ci-inclus, mon article en cours de soumission ouvre la partie résultats (chapitre 10.1), dans laquelle je présente l’intérêt de la chimie click bio-orthogonale pour identifier les cibles cellulaires de Retro-2. Je décris un des candidats potentiels, Sec16A, et illustre comment grâce à la technique de RUSH, perturber la fonction de Sec16A conduit à la relocalisation partielle de la syntaxin-5 au niveau du reticulum endoplasmique via l’inhibition du transport antérograde de la syntaxine-5. La seconde partie de l’article décrit comment la relocalisation de la syntaxine-5 induit l’inhibition du trafic de la toxine Shiga des endosomes au TGN. Je présente une nouvelle interaction entre la syntaxine-5 et la protéine TGN GPP130, qui ont déjà été caractérisées en relation avec le trafic de la toxine Shiga. Mon travail connecte à la fois les facteurs de trafic avec le trafic rétrograde au niveau de l’interface endosome-TGN. De manière frappante, cette interaction est très probablement basée sur une fonction non-SNARE de la syntaxine-5 car le domaine de fixation sur GPP130 est structurellement non lié à toute fonction SNARE.En collaboration avec Juan Francisco Aranda et Carlos Fernandez aux Etats-Unis, nous avons placés des micro-ARNs dans un contexte de régulation endogène du trafic rétrograde de la toxine Shiga (chapitre 11.2). Une discussion plus approfondie sera apportée dans le chapitre 12.Enfin, une vue d’ensemble des projets en cours est apportée dans la section des perspectives (chapitre 12), dans laquelle les collaborations plus approfondies sont mises en lumière.Mots clés : transport rétrograde, toxine Shiga, toxine de la famille Shiga, STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, chimie click sans cuivre, identification des cibles de petites molécules, spétrométrie de masse, function non-SNARE, inhibition du trafic antérograde, miARN, miR199, rétromère, VPS26 / The introduction of my PhD manuscript starts with describing plant and bacterial toxins (chapter 9.1), in particular Shiga toxin and Shiga-like toxins (SLTs) (chapter 9.1.2). Small molecule inhibitors of these toxins are summarized afterwards in chapter 9.1.3, notably the Retro-2 compound. Since these toxins rely on intracellular trafficking to reach their molecular targets, a general overview of endocytosis and endosomal trafficking is provided (chapter 9.2). Next, the retrograde route entry is presented (chapter 9.2.5), with focus on clathrin, the retromer and GPP130, a protein that constantly cycles between Golgi, plasma membrane, and endosomes. SNARE proteins, particularly syntaxin-5 and syntaxin-16, are then introduced (chapter 9.2.6). After a brief section of the micro RNA family 199 (chapter 9.3), the introduction finishes with the description of some salient techniques that were used in my work, such as - bio-orthogonal Click-Chemistry, anterograde trafficking synchronization with the retention using selective hooks (RUSH) assay, and the antibody-based proximity ligation assay (chapter 10.6.1, 0, 10.11.1).Herein, my submitted publication opens the results part (chapter 11.1), in which I present the utility of biorthogonal click chemistry for the search of the cellular targets of Retro-2, a small molecule inhibitor that was previously shown to protect cells and animals against Shiga toxin and ricin. I describe that Sec16A is a likely cellular target candidate, and illustrate using the RUSH approach how interfering with Sec16A functions leads to the partial relocalization of syntaxin-5 to the endoplasmic reticulum (ER) by slowing-down its anterograde transport. The second part of the paper describes how syntaxin-5 relocalization causes the inhibition of Shiga toxin trafficking from endosomes to the TGN. I present a novel interaction between syntaxin-5 and the Golgi protein GPP130, which both have been already described in relation to Shiga toxin trafficking. My work connects both trafficking factors in retrograde trafficking at the endosomes-TGN interface. Strikingly, I demonstrate that this interaction is most probably based on a non-SNARE function of syntaxin-5.In collaboration with Juan Francisco Aranda and Carlos Fernandez in the US, we put micro RNAs into an endogenous regulation context of Shiga toxin retrograde trafficking (chapter 11.2). An extended discussion will be given in chapter 12.Last, a general outlook of ongoing projects is given in the perspectives section (chapter 13), in which further collaborations are highlighted.Keywords: Retrograde transport, Shiga toxin, Shiga-like toxin (SLT), STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, azide-functionalized Retro-2, copper-free click chemistry, small molecule target identification, mass spectrometry, non-SNARE function, anterograde trafficking inhibition, miRNA, miR199, retromer, VPS26

The research presented in this dissertation consists of two primary parts. The initial focus centered on understanding the distribution of Golgi resident glycosyltransferases between the ER and Golgi at steady-state. Retrograde trafficking of these Golgi proteins has been demonstrated experimentally mandating the existence of a dynamic equilibrium between the Golgi apparatus and ER. Our published studies also included the development of a quantitative method for analysis of data collected using fluorescent microscopy. The second part of this dissertation presents results pertaining to the quantification of a unique Golgi resident protein that cycles in the late endosome bypass pathway. Using the published method of analysis and techniques developed during the initial project, the anterograde and retrograde transport kinetics of this Golgi protein were determined and used to develop a compartmental model for pH sensitive trafficking in the bypass pathway. The spatial Golgi distribution of the protein during retrograde transport to the Golgi following endosomal exit was also investigated. This research lies at the interface of experimental cell biology and quantitative computational analysis. These experiments combined more traditional experimental biological approaches with more recent computational approaches to understanding cellular mechanisms. Additionally, development of a quantitative method of analysis validated the use of fluorescent microscopy as a quantitative tool for studying intracellular proteins. / Ph. D.

Les proprotéines convertases (PCs) sont responsables de la maturation de plusieurs protéines précurseurs et sont impliquées dans divers processus biologiques importants. Durant les 30 dernières années, plusieurs études sur les PCs se sont traduites en succès cliniques, toutefois les fonctions spécifiques de PC7 demeurent obscures. Afin de comprendre PC7 et d’identifier de nouveaux substrats, nous avons généré une analyse protéomique des protéines sécrétées dans les cellules HuH7. Cette analyse nous a permis d’identifier deux protéines transmembranaires de fonctions inconnues: CASC4 et GPP130/GOLIM4. Au cours de cette thèse, nous nous sommes aussi intéressé au rôle de PC7 dans les troubles comportementaux, grâce à un substrat connu, BDNF. Dans le chapitre premier, je présenterai une revue de la littérature portant entre autres sur les PCs. Dans le chapitre II, l’étude de CASC4 nous a permis de démontrer que cette protéine est clivée au site KR66↓NS par PC7 et Furin dans des compartiments cellulaires acides. Comme CASC4 a été rapporté dans des études de cancer du sein, nous avons généré des cellules MDA-MB-231 exprimant CASC4 de type sauvage et avons démontré une diminution significative de la migration et de l’invasion cellulaire. Ce phénotype est causé notamment par une augmentation du nombre de complexes d’adhésion focale et peut être contrecarré par la surexpression d’une protéine CASC4 mutante ayant un site de clivage optimale par PC7/Furin ou encore en exprimant une protéine contenant uniquement le domaine clivé N-terminal. Finalement, des résultats provenant de base de données de patients atteint de cancer du sein ont démontrés que l’expression élevé des gènes CASC4 et PCSK7 corrélaient à un mauvais prognostique, tandis qu’une expression élevée de CASC4 mais faible de PCSK7 était associée un meilleur prognostique. Dans le chapitre III, nous avons démontré que GPP130 est aussi clivé par PC7 et Furin mais au niveau des motifs H67RSRLEK73↓SL et K274PTR277↓EV dans les endosomes/TGN ou à la membrane plasmique. Récemment, GPP130 a été rapporté comme étant impliqué dans la prolifération cellulaire de cancers de la tête et du cou. Nos analyses provenant de la banque de données cBioPortal ont montré que le gène GPP130/GOLIM4 était surexprimé dans 35% des cas de cancer du poumon. Nous avons aussi montré qu’une réduction de GPP130 dans les cellules de cancer de poumon A549 augmente légèrement la prolifération cellulaire. Nous étudions actuellement l’hypothèse que GPP130 transporterait des cargos qui pourraient influencer la prolifération cellulaire. Finalement, durant le chapitre IV de cette thèse, nous avons poursuivi les études comportementales chez les souris PC7 KO afin d’investiguer si ces souris seraient protégées d’un effet anxiogène causé par l’obésité induite par l’alimentation. Nous avons montré que les souris PC7 KO ont une tendance à être moins affectées par la diète riche en gras saturé. Nous avons aussi montré que les souris PC7 ont une réponse déficiente face au stress. En conclusion, nos travaux de recherche ont permis d’identifier de nouveaux substrats de PC7 afin de mieux comprendre son rôle biologique, / The proprotein convertases (PCs) are responsible for the maturation of precursor proteins and are involved in multiple biological processes. Over the past 30 years, the PCs have had great translational achievements, but the physiological roles of PC7, the seventh member of the family, are still obscure. Searching for new PC7 substrates, a quantitative proteomics screen for selective enrichment of N-glycosylated polypeptides secreted from hepatic HuH7 cells identified two type-II transmembrane-proteins of unknown function(s): Cancer Susceptibility Candidate 4 (CASC4) and Golgi Phosphoprotein of 130 kDa (GPP130/GOLIM4). The chapters II and III of this thesis will focus on the investigation of CASC4 and GPP130 shedding by PC7 and Furin, and their corresponding physiological functions. In chapter IV we pursued the PC7 KO mice behavior phenotyping. Concentrating on CASC4 in chapter II, its mutagenesis characterized the PC7/Furin-shedding site to occur at KR66↓NS, in HEK293 cells. We further defined PC7 and Furin activity and demonstrated that CASC4 shedding occurs in acidic endosomes and/or trans-Golgi Network. Since CASC4 has been reported in breast cancer studies, we generated MDA-MB-231 cells stably expressing CASC4 WT and we showed a significant reduction of migration and invasion, caused by an increased number of paxillin-positive focal adhesions. This phenotype was reversed in cells overexpressing an optimally PC7/Furin-cleaved CASC4 mutant, or upon overexpression of CASC4 N-terminal domain. In accord, breast cancer patients’ datasets show that high CASC4 and PCSK7 expression levels predict a significantly worse prognosis compared to high CASC4 but low PCSK7 levels. In chapter III, we demonstrated that GPP130 is also cleaved by PC7 and Furin at similar and distinct motifs (H67RSRLEK73↓SL and K274PTR277↓EV) within acidic endosomes or at the TGN. GPP130 is predicted to be trafficking cargos and is responsible for the binding and retrograde trafficking of the Shiga toxin. In addition, GPP130 was recently reported to be implicated in cell proliferation in head and neck cancer cells. Our analysis from cBioPortal for Cancer Genomics has shown that the GPP130/GOLIM4 gene is amplified in up to 35% of the patients with lung cancer. During this chapter we also showed that GPP130 knockdown in A549 cells slightly increases cell proliferation. We are currently investigating that GPP130 transports important cargos that would influence cell proliferation. Finally, during the chapter IV of this thesis we have pursued the characterization of the PC7 KO mice anxiolytic phenotype that was previously described, and we investigated a possible protection from diet-induced obesity anxiety-like behavior. Interestingly, we have shown that the PC7 KO mice have a tendency to be less affected by the saturated high-fat anxiogenic diet. Also, we showed that the PC7 KO mice have an impaired stress-coping response that will need further investigations. In conclusion, we identified new PC7 substrates to better understand its biology but we also investigated more deeply known substrates, such as BDNF in the PC7 KO mice to fully grasp the physiological functions of this enigmatic proprotein convertase.

Le cancer du poumon est la principale cause de mortalité par cancer au Canada et entraîne un taux de mortalité important chez les patients. En effet, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) indique que le cancer du poumon est la principale cause de décès liés au cancer dans le monde, avec 2.21 millions de diagnostics par année qui conduisent en moyenne à 1.8 millions de décès par an. Initialement asymptomatique, ce cancer évolue rapidement, devenant très invasif et métastatique, et est alors responsable de plus de morts par an que ces quatre cancers meurtriers combinés : côlon, sein, prostate et pancréas. Les Proprotéines Convertases (PCs) sont une famille de 9 sérines protéases qui jouent un rôle dans la maturation des précurseurs de protéines. Les PCs activent/désactivent ces précurseurs en les clivant à un unique ou une paire de résidus d’acides aminés et sont ainsi essentiels pour divers processus biologiques, tels que l’activation de facteurs de croissance qui jouent un rôle vital dans la transformation cellulaire et les risques de formation de tumeurs. Parmi les neufs membres des sérines protéases identifiées, les rôles physiologiques du septième membre de la famille, PC7, restent encore largement méconnus à ce jour. Afin d'identifier davantage de substrats de PC7, un criblage protéomique quantitatif a été réalisé pour l'enrichissement sélectif de polypeptides Nglycosylés, sécrétés par les cellules hépatiques HuH7. Deux protéines transmembranaires de type II clivées par PC7/Furine, et sécrétées sous forme soluble, ont alors été identifiées : CAncer Susceptibility Candidate 4 (CASC4) and Golgi PhosphoProtein de 130 kDa (GPP130). Des études ultérieures menées sur CASC4 par iii notre laboratoire ont mis en évidence son rôle protecteur contre la migration et l'invasion du Cancer du Sein Triple Négatif. GPP130 est une protéine transmembranaire de type II avec un domaine luminal contenant des déterminants endosomaux et de récupération du Golgi, lui offrant une voie de trafic cellulaire unique. Jusqu'à présent, le rôle de GPP130 a principalement été étudié dans la liaison et le trafic rétrograde des Shiga-toxines. Un récent rapport a cependant aussi montré son implication dans la progression du cycle cellulaire et dans la prolifération des cellules du cancer de la tête et du cou. Ainsi, notre analyse du cBioPortal pour Cancer Genomics a révélé que GPP130 est amplifié jusqu'à 35% chez les patients atteints de cancer du poumon. Le travail présenté ici montre les implications du clivage de GPP130 par PC7 et Furine dans la progression du cancer du poumon, en identifiant la région de GPP130 responsable de la croissance cellulaire. Ce projet dévoile ainsi des stratégies thérapeutiques potentielles ciblant la prolifération cellulaire induite par GPP130. / Lung Cancer is the leading cause of cancer death in Canada and causes significant morbidity in patients. Globally, World Health Organization (WHO) reports lung cancer as the leading cause of cancer-related deaths, with 2.21 million diagnoses/year, resulting in approximately 1.8 million deaths/year. Initially asymptomatic, it progresses to a highly invasive and quickly metastasizing cancer. It is responsible for more deaths per year than the combined death of the four deadly cancers: colon, breast, prostate, and pancreas. Proprotein Convertases (PCs) are a family of nine serine proteases that play a role in the maturation of secretory precursor proteins. Basic amino acid-specific PCs activate/inactivate precursor proteins by cleaving them at single or paired basic aminoacid residues. They are crucial for various biological processes, including the activation of growth factors that play a vital role in cellular transformation and the likelihood of tumor formation. Of the nine serine proteases identified, the physiological functions of the seventh member of the family, PC7, currently remain mostly unidentified. To further identify novel PC7 substrates, a quantitative proteomics screen for selective enrichment of N-glycosylated polypeptides, secreted from hepatic HuH7 cells, was performed. This identified two type-II transmembrane proteins, which were shed into soluble secreted forms by PC7/Furin: CAncer Susceptibility Candidate 4 (CASC4) and Golgi PhosphoProtein of 130 kDa (GPP130). Subsequent studies on CASC4 by our laboratory reported the protective role that CASC4 plays against migration and invasion in Triple Negative Breast Cancer. v GPP130 is a type-II transmembrane protein with a luminal domain containing endosomal and Golgi-retrieval determinants enabling a unique subcellular trafficking route. So far, the role of GPP130 has only been extensively studied in the binding and retrograde trafficking of Shiga toxin. However, recent reports have shown its implication in cell-cycle progression and cellular proliferation of head and neck cancer cells. Our analysis from cBioPortal for Cancer Genomics revealed that GPP130 is amplified in up to 35% of patients with lung cancer. The work presented here shows the implications of shedding GPP130 by PC7 and Furin in lung cancer progression by identifying the region of GPP130 responsible for cellular growth and unravelling potential therapeutic strategies for GPP130-induced cellular proliferation.