La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative avec une transmission dominante, qui entraîne la mort dans les 15 à 20 ans suivant les premiers signes pathologiques. Le gène muté dans la MH contient une répétition de trinucléotide CAG instable qui code pour une expansion de polyglutamine (polyQ) dans la protéine huntingtine (HTT). Lorsque le gène code pour une protéine avec plus de 35 glutamines, il déclenche un dysfonction puis une mort neuronale notamment dans le striatum et le cortex, entrainant l'apparition de symptômes cognitifs, psychiatriques et moteurs. HTT est exprimée dans de nombreux tissus et est impliquée dans diverses fonctions cellulaires. Il est admis que dans la MH, l'expansion polyQ conduit à un gain de nouvelles fonctions toxiques, mais également à une perte des fonctions neuroprotectrices de HTT sauvage. Avant même l'apparition des premiers symptômes, des dysfonctions existent au sein du réseau neuronal corticostriatal. Cependant, les études in vivo des dysfonctions précoces au sein de ce réseau sont techniquement difficiles à l’échelle cellulaire.Le premier enjeu de ma thèse a été de reconstituer et de caractériser in vitro le réseau corticostriatal. Pour cela nous avons utilisé une plateforme microfluidique, compatible avec de la vidéomicroscopie haute résolution, dans laquelle chaque compartiment est identifié et où la progression de la croissance axonale à la formation des synapses est régulée. Nous avons observé des défauts majeurs au sein des différents compartiments du réseau corticostriatal, de la dynamique présynaptique à des défauts de structure et de transmission synaptiques, ainsi que des dysfonctions du trafic et des voies de signalisation post-synaptique. De manière intéressante, nous avons montré que le statut génétique du compartiment présynaptique était nécessaire et suffisant pour altérer ou restaurer le réseau corticostriatal.Le second aspect de ma thèse a été d’étudier la dynamique intracellulaire, depuis le réticulum endoplasmique jusqu’au compartiment final, au sein de cellules modèles de la MH. Pour cela nous avons utilisés le système RUSH (Retention Using Selective Hooks) couplé à une molécule utilisant la voie standard de biosynthèse des protéines. Au sein de cellules modèles de la MH, la dynamique intracellulaire est perturbée. L’utilisation de molécules inhibitrices d’une classe d’enzyme au sein de cellules modèles de la MH, est capable de restaurer une dynamique intracellulaire. En particulier, grâce au système microfluidique, nous avons montré qu’une molécule a la capacité de restaurer un réseau corticostriatal sauvage. Les études pharmacologiques de passage ont montré que cette molécule a un haut pouvoir de passage de la barrière hémato encéphalique. Le traitement pendant un mois de souris modèles de la MH et l’analyse de leur coordination motrice et de leur état anxiodépressif suggère que cette molécule est capable d’améliorer les symptômes chez les souris MH.Ces travaux ont permis de mettre en évidence 1/ l’importance du cortex comme région d’intérêt thérapeutique dans la MH, et 2/ le trafic de protéines comme une nouvelle cible thérapeutique. / Huntington Disease (HD) is a mid-life onset inherited neurodegenerative disorder that leads to death within 15 to 20 years after appearance of the first symptoms. The defective gene in HD contains an unstable trinuocleotide CAG repeat which encodes for a polyglutamine stretch (polyQ) in the huntingtin (HTT) protein. When the number of glutamines coded by the gene exceeds 35 repeats, it triggers neuronal dysfunction and death, affecting in particular the striatum and the cortex, causing cognitive, psychiatric, and motor symptoms. HTT is widely expressed and it is involved in numerous functions. In HD, it is accepted that, the polyQ strech leads to a gain of toxic functions, and converselyto a loss of neuroprotective functions of wild-type HTT. Long before the appearance of the first symptoms, dysfunctions exist within the corticostriatal neuronal network. However, in vivo studies of early cell dysfunction in this network are technically difficult, especially at the subcellular resolution.The first objective of my thesis was to reconstitute and characterize the corticostriatal network in vitro. We used a microfluidic device in which each neuronal compartment is identified and in which the progression from axonal growth to synapse regulation is controlled. We observed major defects in the different compartments of the corticostriatal circuit, from presynaptic dynamics to synaptic structure and transmission and to postsynaptic traffic and signaling. Importantly, the genetic status of the presynaptic compartment was necessary and sufficient to alter or restore the circuit.The second aspect of my thesis was to study the intracellular dynamics, from the endoplasmic reticulum to the final compartment, in cellular models of HD. For this we used the RUSH system (Retention Using Selective Hooks) coupled to a molecule using the standard pathway of protein biosynthesis. In cellular models of HD, intracellular dynamics are disrupted. We found that molecules targeting enzyme protein trafficking restore intracellular dynamics in HD cells. In particular, thanks to the microfluidic system, we showed that a given molecule has the capacity to restore a HD mutant corticostriatal network. Pharmacological studies showed that this molecule has a high power of passage of the blood brain barrier. One month treatment of HD mouse models and their behavioral tests for motor and anxiety-depressive symptoms suggest that the molecule is able to ameliorate symptoms.These studies made it possible to highlight 1 / the importance of the cortex as a key region of therapeutic interest in HD, and 2 / protein trafficking as a new therapeutic target in HD.

La migration des cellules est nécessaire au cours du développement. Chez l’adulte, elle contribue au renouvellement des tissus, à la cicatrisation et à la circulation des cellules immunitaires. Les cellules cancéreuses acquièrent des capacités de migration qui échappent aux mécanismes normaux de régulation. Elles peuvent ainsi envahir les tissus environnants et, éventuellement, former des métastases. Les astrocytes représentent une majorité de cellules gliales du système nerveux central. Ils migrent en réponse à des facteurs inflammatoires et interviennent ainsi dans la cicatrisation et la régénération des tissus lésés. Les astrocytes peuvent être à l’origine de tumeurs appelées gliomes qui représentent la majorité des tumeurs cérébrales primaires. Les formes les plus agressives, appelées glioblastomes, sont des tumeurs extrêmement invasives, ce qui les rend particulièrement difficiles à traiter. Les microtubules jouent un role crucial dans la migration des astrocytes et des cellules de gliomes (Etienne-Manneville, 2013a). Au cours de la migration, le réseau de microtubules est totalement réorganisé pour permettre la polarisation de la cellule. Formés par association de dimères de tubuline, leur régulation intervient de multiples manières comme par exemple au niveau de leur dynamique de polymérisation à la périphérie de leurs interactions avec les composants cellulaires ou par leurs modifications post-traductionnelles (Etienne- Manneville, 2010). En effet, les dimères de tubulines polymérisées, inclues dans les microtubules, peuvent être, entre autres, détyrosinées, acétylées, mono ou poly-glutamylées, et mono ou poly-glycylées (Janke and Chloë Bulinski, 2011). Durant la migration cellulaire, ces modifications post-traductionnelles peuvent notamment jouer un rôle dans la régulation du trafic intracellulaire. L’objectif majeur de mon projet de thèse est d’étudier les mécanismesIii de régulation des microtubules au cours de la migration des astrocytes normaux et tumoraux, et plus particulièrement le rôle des modifications post-traductionnelles de la tubuline. Je me suis focalisée sur trois principales modifications post-traductionnelles des microtubules durant la migration : la polyglutamylation, la détyrosination et l’acétylation. En premier lieu, j’ai étudié le rôle potentiel de la polyglutamylation dans la mise en place de la polarité cellulaire chez les astrocytes. Je n’ai pas observé d’effet de cette modification durant la migration… / The migration of cells is necessary during the development. At the adult, she contributes to the renewal of fabrics, to the healing and to the traffic of immune cells. Cancer cells acquire capacities of migration which escape the normal mechanisms of regulation...

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur chez les organismes vivants. Chez Arabidopsis thaliana, le transporteur de fer racinaire IRT1 est endocyté à la suite de la monoubiquitination de deux résidus lysine situés au niveau de sa grande boucle cytosolique. Cependant, les mécanismes régissant l’endocytose médiée par l’ubiquitine ainsi que son rôle biologique restent flous. Au cours de ma Thèse, j’ai mis en évidence que la dynamique d’IRT1 était contrôlée par les métaux substrats secondaires du transporteur (à savoir le zinc, le manganèse et le cobalt). En l’absence de ces métaux, IRT1 est localisé à la membrane plasmique avec une polarité latérale le positionnant sur la face externe des cellules de l’épiderme racinaire. La présence de ces mêmes métaux à un niveau physiologique entraîne la monoubiquitination d’IRT1 et son internalisation vers les endosomes précoces. J’ai démontré que lorsque les métaux substrats secondaires d’IRT1 sont présents en excès, les modifications monoubiquitine sont alors allongées en chaînes de polyubiquitines liées par le résidu lysine-63, entrainant ainsi son adressage vers la vacuole et sa dégradation. Mes travaux ont par ailleurs permis d’élucider les mécanismes moléculaires impliquées dans la réponse des plantes à l’excès de métaux substrats d’IRT1. J’ai notamment montré que l’endocytose d’IRT1 était dépendante i) d’un motif riche en résidus histidine dans la séquence d’IRT1 qui est capable de fixer ces métaux autres que le fer, ii) de la phosphorylation d’IRT1 au niveau d’un résidu thréonine par une protéine kinase en cours d’investigation, et iii) de l’E3 ligase à domaine RING IDF1. D’un point de vue physiologique, l’endocytose d’IRT1 médiée par l’ubiquitine et dépendante des métaux protège la plante d’une suraccumulation de ces métaux autres que le fer qui sont hautement réactifs. / Ubiquitination is a post-translational modification playing a major role in living organisms. In Arabidopsis thaliana, the root iron transporter IRT1 is endocytosed following the monoubiquitination of two lysine residues located in its large cytosolic loop. However, the mechanisms driving IRT1 ubiquitin-mediated endocytosis and its biological relevance remains unclear. During my PhD, I uncovered that IRT1 dynamics is controlled by its secondary metal substrates (i.e. zinc, manganese and cobalt). In the absence of these non-iron metals, IRT1 is found at the cell-surface of root epidermal cells with an outer lateral polarity, while their presence at physiological levels triggers IRT1 monoubiquitination, internalization and accumulation in early endosomes. However, upon non-iron metal excess, monoubiquitin modifications are extended into K63 polyubiquitin chains to promote the vacuolar targeting of IRT1 and its degradation. I investigated further the molecular mechanisms driving plant responses to non-iron metal excess. I notably showed that this regulation by non-iron metals is dependent on i) a histidine-rich stretch in IRT1 that is able to directly bind to non-iron metals, ii) the subsequent recruitment of a kinase currently under investigation which phosphorylates IRT1 at a threonine residue, and iii) the RING E3 ligase IDF1. Altogether, the metal-dependent ubiquitin-mediated endocytosis of IRT1 protects the plant from overaccumulation of highly reactive non-iron metals.

Afin d’assurer les échanges entre ses différents organites, la cellule eucaryote dispose d’un système ingénieux de trafic vésiculaire intracellulaire. Le transport directionnel de divers cargos tels que des organites membranaires et des complexes protéiques est assuré par des moteurs moléculaires auxquels appartiennent les protéines de la superfamille des kinésines (également appelées KIF pour KInesin Family). Celles-ci se servent des microtubules comme rails et se déplacent vers leur extrémité positive. Parmi elles, la kinésine II est composée de KIF3A et KIF3B, deux protéines motrices et de KAP3, une protéine de liaison au cargo à véhiculer. Ce moteur moléculaire est connu pour participer à l’assemblage du cil primaire à la surface des cellules ainsi qu’au trafic plus conventionnel tel que l’acheminement de protéines à la membrane. <p>Afin d’étudier le rôle précis de la kinésine II dans la glande thyroïde, nous avons invalidé spécifiquement le gène Kif3a dans cet organe chez la souris. Bien que cette inactivation ait conduit à un développement complet du tissu thyroïdien, les souris invalidées présentent une hypothyroïdie congénitale caractérisée par des concentrations sériques élevées de TSH et basses de T4. Par la suite, nous avons mis en évidence une expression fortement diminuée du transporteur d’iodure NIS chez ces souris, causant une déficience en iodure intracellulaire, une iodation insuffisante de la thyroglobuline et une sécrétion anormale de l’hormone T4 dans la circulation sanguine. De plus, ex vivo, nous avons montré que la réponse à la TSH en terme d’AMPc est altérée dans la thyroïde de ces souris. Ces observations nous ont permis d’émettre l’hypothèse que l’invalidation du gène Kif3a spécifiquement dans la glande thyroïde mène à une anomalie dans la voie de signalisation du récepteur de la TSH, en amont de la production d’AMPc. Finalement, in vitro, par l’utilisation de cellules Kif3a-/-, nous avons analysé l’expression à la membrane plasmique et la réponse à un agoniste du récepteur β2 adrénergique, un membre de la même sous-famille de récepteurs couplés aux protéines G que le récepteur de la TSH. De cette façon, nous avons obtenu des données indiquant que le transport de ce récepteur à la surface cellulaire était altéré en l’absence de Kif3a. <p>Au vu de ces éléments et de ceux de la littérature, nous suggérons que la kinésine II, et plus particulièrement sa sous-unité KIF3A, joue un rôle important dans le transport du récepteur de la TSH nouvellement synthétisé vers la membrane basale de la cellule de la thyroïde.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Listeria monocytogenes est une bactérie pathogène intracellulaire facultative responsable d’une pathologie grave, la listériose. Si de très nombreux travaux ont permis de caractériser les mécanismes de virulence de cette bactérie, il existe peu de données sur les mécanismes conduisant au portage asymptomatique de L. monocytogenes dans les hôtes mammifères. L’un de ces mécanismes pourrait être une phase de persistance intracellulaire. Lors d’infections prolongées de cellules épithéliales humaines en culture, comme des hépatocytes et des cellules de trophoblastes, L. monocytogenes change de mode de vie intracellulaire. Après la phase active de dissémination de cellule en cellule, les bactéries arrêtent de polymériser l’actine et se retrouvent piégées dans des vacuoles à simple membrane marquées par la protéine endosomale LAMP1. L’objectif de ma thèse était de caractériser ces « Listeria-Containing Vacuoles » (LisCVs). Nous avons montré que les LisCVs sont des compartiments acides, partiellement-dégradatifs, marquées par la protéase lysosomale cathépsine D. Leur formation coïncide avec la disparition du facteur de polymérisation d’actine ActA de la surface bactérienne et la capture des bactéries cytosoliques dépourvues d’actine par des membranes cellulaires. Dans ces compartiments, les bactéries entrent en croissance ralentie ; une sous-population résiste aux stress et peut survivre au-delà de trois jours d’infection. L’utilisation de la gentamicine lors du protocole d’infection n’est pas responsable de la formation des LisCVs. Cependant, cet antibiotique permet la sélection des bactéries vacuolaires, en inhibant spécifiquement la croissance des bactéries cytosoliques. La formation des LisCVs n’est pas spécifique des souches de laboratoire. Toutefois l’efficacité du phénomène pourrait diverger selon les séquençotypes des souches de L. monocytogenes. Les bactéries vacuolaires ont la capacité de sortir des vacuoles et de retourner vers un état motile et réplicatif, après le passage des cellules infectées. Lorsque l’expression du gène actA reste inactive, comme dans les mutants ∆actA, des formes de Listeria vacuolaires persistent dans les cellules hôtes dans un état viable mais non cultivable (VBNC). Ces formes VBNC peuvent être transmises au cours des divisions des cellules hôtes. L’ensemble de ces résultats révèle une nouvelle phase de persistance dans le processus infectieux intracellulaire de L. monocytogenes lors des infections prolongées de certaines cellules épithéliales. Cette propriété pourrait contribuer au portage asymptomatique de ce pathogène dans les tissus épithéliaux, allonger la période d'incubation de la listériose, et rendre les bactéries tolérantes à l’antibiothérapie. / Listeria monocytogenes is a facultative intracellular pathogenic bacterium responsible for a serious disease, listeriosis. Although much work has been done to characterize the virulence mechanisms of this bacterium, there is little data on the mechanisms leading to the asymptomatic carriage of L. monocytogenes in mammalian hosts. One of these mechanisms could be a phase of intracellular persistence. During prolonged infections of human epithelial cells in culture, such as hepatocytes and trophoblast cells, L. monocytogenes changes its intracellular lifestyle. After the active phase of cell-to-cell spread, the bacteria stop polymerizing actin and become trapped in single-membrane vacuoles labeled with the endosomal protein LAMP1.The aim of my thesis was to characterize these "Listeria-Containing Vacuoles" (LisCVs). We have shown that LisCVs are acidic, partially degradative compartments, labeled by the lysosomal protease cathepsin D. Their formation coincides with the disappearance of actin polymerization factor ActA from the bacterial surface and the capture of actin-free cytosolic bacteria by cell membranes. In these compartments, bacterial growth is slowed; a subpopulation is resistant to stress and can survive beyond three days of infection. The use of gentamicin during the infection protocol is not responsible for the formation of LisCVs. However, this antibiotic allows selection of vacuolar bacteria, by specifically inhibiting the growth of cytosolic bacteria. The formation of LisCVs is not specific to laboratory strains. However, the efficacy of the phenomenon could diverge according to the sequence types of L. monocytogenes strains. Vacuolar bacteria have the ability to exit the vacuoles and return to a motile and replicative state during the subculture of infected cells. When expression of the actA gene remains inactive, as in ΔactA mutants, vacuolar Listeria forms persist in host cells in a viable but non-culturable (VBNC) state. These VBNC forms can be transmitted during host cell divisions. All these results reveal a new phase of persistence in the intracellular infectious process of L. monocytogenes during prolonged infections of a subset of epithelial cells. This property could contribute to asymptomatic carriage of this pathogen in epithelial tissues, extend the incubation period of listeriosis, and make bacteria tolerant to antibiotic therapy.

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Le transport intracellulaire du cholestérol et sa distribution correcte au niveau des différentes membranes sont essentiels pour assurer de nombreuses fonctions cellulaires. Malgré l'importance de ce transport les mécanismes de sa régulation restent encore mal connus. L'objectif de cette thèse était de mieux caractériser les acteurs du transport intracellulaire du cholestérol. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à deux acteurs de ce transport : la dynamine et les Rab GTPases. Dans la première partie de la thèse nous avons utilisé le dynasore, un inhibiteur pharmacologique de la dynamine pour étudier le rôle de la dynamine dans le contrôle du transport endolysosomal dans les cellules HeLa et les macrophages humains. Nous avons ainsi confirmé le rôle de la dynamine dans la sortie du compartiment endolysosomal et la régulation de l'homéostasie du cholestérol. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié le rôle de Rab7 et de Rab9 dans le transport du cholestérol en utilisant la technique d'ARN interférence ainsi que l'expression de mutants dominant négatifs. Nous avons montré qu'en plus de son rôle classique dans les étapes tardives du transport du cholestérol, Rab7 contrôle les étapes précoces du transport endosomal. Enfin, nous avons évalué le rôle de Rab7 dans notre modèle de macrophages humains surchargés. Nous avons mis en évidence un effet limité de l'inactivation de Rab7 sur le contrôle de l'homéostasie du cholestérol mais à l'inverse un effet majeur pour l'efflux du cholestérol vers l'apo AI. En conclusion, notre étude a permis de mieux caractériser le transport vésiculaire du cholestérol et de démontrer son importance dans la régulation de l'homéostasie intracellulaire en cholestérol. Nos résultats permettent également d'établir le rôle critique de Rab7 dans le trafic des LDL au niveau des endosomes précoces.

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Dans cette thèse, des méthodes de la physique statistique hors équilibre sont utilisées pour décrire deux processus intracellulaires. Le transport bidirectionnel sur les microtubules est décrit à l'aide d'un gaz sur réseau stochastique quasi-unidimensionnel. Deux espèces de particules sautent dans des directions opposées en interagissant par exclusion. La présence habituelle d'accumulations de particules peut être supprimée en rajoutant la dynamique du réseau, c'est-à-dire de la microtubule. Un modèle simplifié pour la dynamique du réseau produit une transition de phase vers un état homogène avec un transport très efficace dans les deux directions. Dans la limite thermodynamique, une propriété de l'état stationnaire limite la longueur maximale des accumulations. La formation de voies peut être causée par des interactions entre particules. Néanmoins, ces mécanismes s'avèrent peu robustes face à une variation des paramètres du modèle. Dans presque tous les cas, la dynamique du réseau a un effet positif et bien plus important sur le transport que la formation de voies. Par conséquent, la dynamique du réseau semble un point-clé pour comprendre la régulation du transport intracellulaire. La dernière partie introduit un modèle pour la dynamique d'une microtubule sous l'action d'une protéine qui favorise les sauvetages. Des phénomènes intéressants de vieillissement apparaissent alors, et devraient être observables dans des expériences. / This thesis uses methods and models from non-equilibrium statistical physics to describe intracellular processes. Bidirectional microtubule-based transport within axons is modeled as a quasi-one-dimensional stochastic lattice gas with two particle species moving in opposite directions under mutual exclusion interaction. Generically occurring clusters of particles in current models for intracellular transport can be dissolved by additionally considering the dynamics of the transport lattice, i.e., the microtubule. An idealized model for the lattice dynamics is used to create a phase transition toward a homogenous state with efficient transport in both directions. In the thermodynamic limit, a steady state property of the dynamic lattice limits the maximal size of clusters. Lane formation mechanisms which are due to specific particle-particle interactions turn out to be very sensitive to the model assumptions. Furthermore, even if some particle-particle interaction is considered, taking the lattice dynamics into account almost always improves transport. Thus the lattice dynamics seems to be the key aspect in understanding how nature regulates intracellular traffic. The last part introduces a model for the dynamics of a microtubule which is limited in its growth by the cell boundary. The action of a rescue-enhancing protein which is added to the growing tip of a microtubule and then slowly dissociates leads to interesting aging effects which should be experimentally observable.

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