Die Gesamtheit mitochondrialer Gene sowie ein Teil der plastidären Gene photosynthetischer Eukaryoten wird durch kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung eines homologen in vitro-Transkriptionssystems, die spezifischen Funktionen der Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm, RpoTp und RpoTmp aus Arabidopsis untersucht. Während RpoTmp keine Präferenz für die angebotenen Promotoren zeigte, transkribierten RpoTm und RpoTp eine überlappende Gruppe mitochondrialer und plastidärer Promotoren vielfältiger Architektur. RpoTm und RpoTp präsentierten eine Kofaktor-unabhängige Fähigkeit zur Promotorerkennung bei Angebot superhelikaler DNA-Matrizen. Eine selektive Promotornutzung sowie die Unfähigkeit zur spezifischen Transkription linearer Promotormatrizen in vitro implizieren die Assoziation zusätzlicher, in die Promotorerkennung und/oder DNA-Aufschmelzung involvierter Kofaktoren in vivo. Die in vitro-Erkennung mitochondrialer Promotoren durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase (und umgekehrt) sowie weitere Ähnlichkeiten der Transkriptionsapparate der Mitochondrien und Plastiden, wie die strukturelle Organisation ihrer Promotoren und die phylogenetische Herkunft ihrer kernkodierten Transkriptasen inspirierte in planta Studien zur spezifischen Transkription eines mitochondrialen Promotors in den Plastiden. Hierzu wurde die Expression des nptII-Reportergens unter Kontrolle des mitochondrialen PatpA-Promotors aus Oenothera in transplastomischen Tabakpflanzen analysiert. Die durchgeführten Studien belegen eine korrekte Transkription des mitochondrialen PatpA-Promotors durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase in in vitro-Transkriptionsassays sowie in transplastomischen Tabakpflanzen. Diese Resultate enthüllen weitere unerwartete Ähnlichkeiten der organellären Genexpression, die aufschlussreiche evolutionäre Einblicke erlauben und verbesserte Anwendungen zur Manipulation plastidärer Genome ermöglichen könnten. / All mitochondrial and a subset of plastidial genes of photosynthetically active eukaryotes are transcribed by nuclear-encoded, phage-type RNA polymerases. In this study, a homologous in vitro transcription system was used to define the specific functions of Arabidopsis phage-type RNA polymerases RpoTm, RpoTp and RpoTmp in organellar transcription. RpoTmp displayed no significant promoter specificity, whereas RpoTm and RpoTp were able to accurately initiate transcription from overlapping subsets of mitochondrial and plastidial promoters of diverse architecture. RpoTm and RpoTp thereby demonstrated an intrinsic capability to recognize promoters on supercoiled DNA templates without the aid of protein cofactors. A selective promoter recognition by the phage-type RNAPs in vitro and the inability to recognize promoters on linear templates imply that auxiliary factors are required for efficient initiation of transcription and/or DNA melting in vivo. Crosswise recognition of organellar promoters by the phage-type RNA polymerases in vitro as well as other similarities of the mitochondrial and plastidial transcription machineries such as promoter structures and the phylogenetic origin inspired in planta studies to investigate specific transcription of a mitochondrial promoter in plastids. Therefore, the expression of an nptII reporter gene under control of the mitochondrial PatpA promoter from Oenothera was analyzed in transplastomic tobacco plants. The data presented here demonstrate the faithful recognition of the mitochondrial PatpA promoter by a plastid RNA polymerase both in in vitro transcription assays and in transplastomic tobacco plants. These findings disclose further unexpected similarities of the organellar gene expression systems which deliver interesting evolutionary insights and might facilitate improved applications for chloroplast genome engineering.

Le facteur de transcription NF-κB régule l’expression d’une pléthore de gènes impliqués dans divers processus physiologiques notamment la prolifération et la survie cellulaires, l’inflammation ainsi que les réponses immunes. Il intervient également dans de nombreux processus pathologiques à l’exemple de certains cancers et maladies auto-immunes.L’activation de NF-κB suite à l’engagement de différents immunorécepteurs requiert la mise en place de larges signalosomes formés suite au recrutement de différents adaptateurs au niveau des immunorécepteurs engagés. Ces adaptateurs subissent des ubiquitinations non-dégradatives nécessaires pour la transduction du signal. Nous avons démontré dans un précédent travail que ces protéines ubiquitinylées s’accumulent au niveau de la membrane du réticulum endoplasmique (RE) via la protéine réticulaire Métadhérine (MTDH). De plus, nos résultats suggèrent que l’ubiquitination est un prérequis nécessaire à l’adressage de ces protéines au RE. Afin d’évaluer la contribution des E3 ubiquitine ligases en charge de relayer NF-κB au niveau des organites, nous avons effectué le crible d’une banque de siRNAs dirigés contre les 46 E3 ligases transmembranaires en utilisant comme modèle la signalisation du TNF récepteur. Ce crible nous a permis d’identifier l’E3 ligase RNF121 comme régulateur positif de NF-κB. Bien que le mécanisme d’action de RNF121 ne soit pas complètement élucidé, nos données suggèrent qu’il agirait au niveau de la régulation de l’inhibiteur de NF-κB « IκBα ».Durant la deuxième partie de cette thèse, je me suis intéressée à la dynamique mitochondriale. Les mitochondries sont des organites dynamiques, dont la forme est maintenue grâce à une balance entre deux processus antagonistes appelés : fission et fusion. Il a été rapporté qu’en présence de certains stress modérés, les mitochondries hyperfusent, ce processus est appelé SIMH (Stress-Induced Mitochondrial Hyperfusion). Nous avons pu démontrer que la SIMH s’accompagne de l’activation de la voie canonique du facteur de transcription NF-κB via l’E3 ubiquitine ligase mitochondriale MULAN. Nos résultats suggèrent que durant le SIMH, MULAN forme un complexe avec TRAF2 et module son ubiquitination. Ces résultats suggèrent que la mitochondrie, de part sa dynamique, convertie un signal de stress en un signal de survie via l’activation de NF-κB. Pris dans leur ensemble, nos résultats illustrent la complexité de la régulation de NF-κB par ubiquitination et attribuent aux organites un nouveau rôle dans la transduction de la signalisation. / The transcription factor NF-κB regulates the expression of several genes implicated in various physiological processes such as cell proliferation and survival, inflammation and immune responses. Dysregulation of its activation is involved in diverse pathologies such as cancer and auto-immune diseases. Following the engagement of immunoreceptors, NF-κB signaling requires a large signalosome assembly containing different adaptor proteins. These adaptors undergo poly-ubiquitinylation in a non-degradative manner, which is essential for signal transduction. We demonstrated in previous work that these ubiquitinylated proteins accumulate at the surface of the endoplasmic reticulum (ER) via a reticular protein called “Methaderin” (MTDH). Furthermore, our results suggest that ubiquitinylation is a necessary prerequisite for protein addressing to the ER. To evaluate the contribution of E3 ubiquitin ligases in this process we performed a screen of a siRNA bank, targeting the 46 human transmembrane E3 ligases, using the TNF receptor signaling as a model. This screen enabled the identification of RNF121, a Golgi E3 ligase, as a positive regulator of NF-κB. Although the mechanism by witch RNF121 acts is not yet elucidated, our data suggest that it acts on the regulation of NF-κB inhibitor (IκBα). In the second part of this thesis, we investigated mitochondrial dynamics. Mitochondria are dynamic organelles; their shape is maintained due to a balance between two antagonist processes called: fusion and fission. It is known that moderate stress triggers mitochondrial hyperfusion, this process is called: SIMH (Stress-Induced Mitochondrial Hyperfusion). During this thesis, we demonstrated that SIMH is accompanied by NF-κB activation through the mitochondrial E3 ubiquitin ligase MULAN. Our results suggest that during SIMH, MULAN forms a complex with the protein TRAF2 and modulates its ubiquitinylation to allow NF-κB signaling transduction. This work shows that, through their dynamics, mitochondria convert stress signals into a prosurvival response via NF-κB activation.In summary, our results illustrate the complexity of the ubiquitin-dependant regulation of NF-κB and attribute a new role in signaling transduction to the organelles.

Les cellules eukaryotes sont compartimentées par des structures intracellulaires nommées organites. On peut citer le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, le réseau endosomal et lyzosomal. Ces structures délimitées par des membranes cellulaires sont hautement dynamiques, structures dont les composants s'échangent sans cesse entre les différents compartiments. Malgré cette dynamique, les structures qui composent les réseaux d'organites sont très stables et robustes, de sorte que l'on peut décrire un état stationnaire pour ces systèmes hors équilibre et auto-organisés. Bien qu'ils soient robustes en conditions physiologiques, ces compartiments peuvent subir des modification de structures en condition pathologiques ou sous l'effet de traitements pharmacologiques. L'auto-organisation de systèmes à l'équilibre et relativement bien compris par le biais de diagrammes de phases, où l'on peut représenter lesdites phases en fonctions de paramètres physiques, tels que la concentration, ou les interaction entre les différents composants. La situation est bien moins prédictible pour des systèmes hors équilibre. C'est là donc une question scientifique intéressante que de comprendre les mécanismes contraignant l'organisation intracellulaire, où transports actifs et modification biochimiques des composant, tout deux consommant de l'énergie, sont en compétition avec des phénomènes passifs telle que la diffusion. Nous étudions, aussi bien numériquement qu'analytiquement, des modèles d'auto-organisation et de transport, dans des systèmes où un nombre réduit de composants s'organisent par le biais de réaction stochastiques, en des structures de grandes tailles. La question principale que nous posons est de comprendre comment les dynamiques d'échanges entre compartiments (par le biais de vésiculations et de fusion) jouent de concert avec les cinétiques de maturation des composants d'organites, permettent la mise en place d'un réseau robuste. A cette fin, nous nous focalisons sur un organite type, multi-compartiments, doté d'une dynamique riche de transport et de maturation de ses composants : l'appareil de Golgi. Nous décrivons et analysons l'état stationnaire de ces systèmes, en des termes de tailles et de pureté des compartiments le composant - sont ils gros ou petit, triés dans leur composition ou mixés. De cet état stationnaire émerge spontanément un transport de vésicules entre les compartiments, dont la directionnalité est intimement liée à l'état stationnaire. Ce transport est antérograde dans les régimes triés, rétrograde dans les régimes mixés. Des interactions locales, entre les compartiments et ce qu'ils renferment (protéines dont le nom générique est cargo), suffisent à biaiser ces dynamiques de transport. Cela impacte à la fois le temps de résidence des cargos, mais aussi leur localisation dans le système. La capacité de cet organite à trier ces cargos dépend cependant grandement de l'état stationnaire précédemment décrit. / Eukaryotic cells are highly compartmentalized into intracellular organelles, such as the endoplasmic reticulum, the Golgi apparatus, endosomes and lysosomes. These are dynamical structures bounded by lipid membranes, within which components undergo biochemical modification by enzymes, and between which components are constantly being exchanged. Despite their highly dynamical nature, their spatial organization is fairly well conserved over time, so that they could be seen as stationary states of a highly non-equilibrium, and multi-component system. On the other hand, this organization has been observed to be totally disorganized in pathologies or drug treatments. Self-organization in equilibrium systems is fairly well understood by means of phase diagrams where the occurrence of different phases (dispersed, condensed, phase separated) depends on physical parameters (concentrations, interaction energy between components). The situation is much less clear for non-equilibrium systems. It is therefore an exciting challenge to reach a quantitative understanding of the mechanisms dictating the intra-cellular organization, where active transport and biochemical modification by energy-consuming enzymes compete with purely passive phenomena such as diffusion. We design and study, both analytically and numerically, simple models of self-organization and transport in systems where a limited number of components may self-organize into larger structures by means of stochastic reactions. Our main fundamental question is to determine how the interplay between the dynamics of inter-organelle exchange (by means of vesicle secretion, transport and fusion) and the kinetics of biochemical maturation within organelles may yield a precise and robust organelle network. To this end we focus on one "stereotype" organelle, that is already multi-compartments and with a very rich dynamics of vesiculation, fusion and maturation: the Golgi Apparatus. We describe and understand the steady-state organization of such systems, in term of compartments' size and purity - how big and well sorted are the different compartments. From this steady-state, a vesicular transport spontaneously emerges, whose directionality is linked to the steady-state organization. It is anterograde in a pure regime, and retrograde in a mixed configuration. Local interaction between components being transported, and membranes are sufficient to bias those transport. This both change the kinetics of transport in the system, and thus their location in the compartments. How efficient the system is in sorting these elements, strongly relies on the steady-state organization and the vesicular transport.

Correlative light and electron microscopy (CLEM) is a powerful approach to investigate the molecular ultrastructure of labeled cell compartments. However, quantitative CLEM studies are rare, mainly due to small sample sizes and the sensitivity of fluorescent proteins to strong fixatives and contrasting reagents for EM. Here, we show that fusion of a self-labeling protein to insulin allows for the quantification of age-distinct insulin granule pools in pancreatic beta cells by a combination of super resolution and transmission electron microscopy on Tokuyasu cryosections. In contrast to fluorescent proteins like GFP organic dyes covalently bound to self-labeling proteins retain their fluorescence also in epoxy resin following high pressure freezing and freeze substitution, or remarkably even after strong chemical fixation. This enables for the assessment of age-defined granule morphology and degradation. Finally, we demonstrate that this CLEM protocol is highly versatile, being suitable for single and dual fluorescent labeling and detection of different proteins with optimal ultrastructure preservation and contrast.

The subcellular mechanism and site of action of linopirdine or DuP 996 (3,3‐bis(4‐pyridinylmethyl)‐1‐phenylindolin‐2‐one) was investigated at the frog neuromuscular junction, using miniature endplate potential (m.e.p.p.) counts and a new method for obtaining unbiased estimates of n (number of functional release sites), p (probability of release), and varsp (spatial variance in p). DuP 996 produced an increase in m (no. of quanta released), which was due to an increase in n and p. The increase in m was concentration‐dependent over a range of 0.1–100 μm and completely reversible with 15 min of wash. There was a saturation in the increase in p, but not in the increase in m and n, for [DuP 996] >10 μm. By contrast, there was no major change in varsp. Block of presynaptic Na+‐ and Ca2+‐channels with 3 μm tetrodotoxin and 1.8 mm Co2+prevented the m.e.p.p. frequency increase to DuP 996, and this effect was completely reversed by washing. Application of the neuronal Ca2+‐channel blocker, ω‐conotoxin GVIA (1 μm) brought about a rapid and profound decrease in the m.e.p.p. frequency increase produced by DuP 996. The effect of the toxin was not reversed by prolonged washing. Block of voltage‐gated K+‐channels with 100 μm 4‐aminopyridine (4‐AP) resulted in only a small (28%) increase in m. The combination of 4‐AP (100 μm) and DuP 996 (10 μm) produced an increase in m (189%) which was much greater than the sum of the responses to each agent alone. This increase in m was due solely to an increase in n, as p and varsp were unchanged. For [DuP 996] up to 100 μm, there was no apparent change in the mean size, amplitude distribution, or time course of m.e.p.ps, signifying that it had no anticholinesterase activity. It is concluded that DuP 996 increases the release of quantal transmitter but not the postsynaptic response to the quanta. This appears to involve an effect at the nerve terminal membrane, most likely an increase in Ca2+‐conductance, and not an action to block K+‐conductance or to release Ca2+from intraterminal organelles. 1994 British Pharmacological Society

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Viscoelasticity and its alteration in time and space has turned out to act as a key element in fundamental biological processes in living systems, such as morphogenesis and motility. Based on experimental and theoretical findings it can be proposed that viscoelasticity of cells, spheroids and tissues seems to be a collective characteristic that demands macromolecular, intracellular component and intercellular interactions. A major challenge is to couple the alterations in the macroscopic structural or material characteristics of cells, spheroids and tissues, such as cell and tissue phase transitions, to the microscopic interferences of their elements. Therefore, the biophysical technologies need to be improved, advanced and connected to classical biological assays. In this review, the viscoelastic nature of cytoskeletal, extracellular and cellular networks is presented and discussed. Viscoelasticity is conceptualized as a major contributor to cell migration and invasion and it is discussed whether it can serve as a biomarker for the cells’ migratory capacity in several biological contexts. It can be hypothesized that the statistical mechanics of intra- and extracellular networks may be applied in the future as a powerful tool to explore quantitatively the biomechanical foundation of viscoelasticity over a broad range of time and length scales. Finally, the importance of the cellular viscoelasticity is illustrated in identifying and characterizing multiple disorders, such as cancer, tissue injuries, acute or chronic inflammations or fibrotic diseases.

Primary cilia are sensory organelles on many postmitotic cells. The ciliary membrane is continuous with the plasma membrane but differs in its phospholipid composition with phosphatidylinositol 4,5-bisposphate (PIP₂) being much reduced toward the ciliary tip. In order to determine the functional significance of this difference, we used chemically induced protein dimerization to rapidly synthesize or degrade PIP₂ selectively in the ciliary membrane. We observed ciliary fission when PIP₂ was synthesized and a growing ciliary length when PIP₂ was degraded. Ciliary fission required local actin polymerisation in the cilium, the Rho kinase Rac, aurora kinase A (AurkA) and histone deacetylase 6 (HDAC6). This pathway was previously described for ciliary disassembly before cell cycle re-entry. Activating ciliary receptors in the presence of dominant negative dynamin also increased ciliary PIP₂, and the associated vesicle budding required ciliary PIP₂. Finally, ciliary shortening resulting from constitutively increased ciliary PIP₂ was mediated by the same actin – AurkA – HDAC6 pathway. Taken together, changes in ciliary PIP₂ are a unifying point for ciliary membrane stability and turnover. Different stimuli increase ciliary PIP₂ to secrete vesicles and reduce ciliary length by a common pathway. The paucity of PIP₂ in the distal cilium therefore ensures ciliary stability.

Les trois proto-oncogènes RAS, soit HRAS, KRAS et NRAS (H/K/NRAS), sont les gènes les plus fréquemment mutés dans les cancers humains. Les énormes défis liés au ciblage thérapeutique des RAS soulignent la nécessité d’approfondir notre compréhension de la biologie de ces protéines et de trouver des stratégies alternatives pour traiter les cancers qu’elles induisent. Les petites GTPases RAS sont des régulateurs fondamentaux du développement et se lient à des protéines effectrices distinctes pour transmettre des signaux afin de réguler diverses voies de signalisation intracellulaires. Les effecteurs de RAS sont définis par un domaine de liaison à RAS (RBD) qui reconnaît la conformation active de RAS liée au GTP et active les voies de signalisation en aval. Par exemple, les effecteurs RAF et PI3K régulent les voies de signalisation MAPK et PI3K-AKT, respectivement, pour contrôler la prolifération, la survie et la tumorigenése. Alors que RASSF5 dirige RAS vers la voie Hippo, suppresseur de tumeur, mais cela reste moins bien compris. Il est intéressant de noter que la famille des domaines d'association à RAS (RASSF) comprend 10 effecteurs RAS supposés en aval, chacun comprenant un RBD, mais seul le RASSF5 se lie à H/K/NRAS. Les RASSF sont des suppresseurs de tumeurs connus et comptent parmi les protéines les plus fréquemment régulées à la baisse dans les cancers. La superfamille des petites GTPases RAS compte chez l’humain environ 160 protéines regroupées en cinq sous-familles : RAS, RHO, RAN, RAB et ARF. Alors que H/K/NRAS sont les mieux caractérisées et ont été au centre de la recherche sur le cancer, les fonctions cellulaires, la régulation et les protéines effectrices de nombreuses autres GTPases de la superfamille RAS restent obscures. Ma recherche doctorale visait donc à étudier le rôle des effecteurs de RASSF en cartographiant les interactions de BRAF et de quatre protéines de RASSF avec 83 GTPases appartenant aux sous-familles RAS, RHO et ARF et à utiliser ces connaissances pour démêler l'interaction complexe entre les GTPases et les effecteurs. Nous avons abordé des questions clés sur la spécificité des RBD envers les GTPases et avons révélé et validé 39 interactions RASSF-GTPase. Nous avons constaté qu'alors que BRAF démontre une spécificité restreinte pour les H/K/NRAS classiques, RASSF fait preuve de plasticité dans ses interactions avec les GTPases. RASSF5 interagit avec 10 GTPases distinctes de la sous-famille RAS (H/K/NRAS, RAP2B/2C, RRAS1/2, MRAS et RIT1/2) qui favorisent la croissance. La présence d’un complexe RASSF5-GTPase à la membrane plasmique redistribue la protéine YAP dans le cytosol et active la signalisation Hippo. Nous avons également montré que l'interaction de RASSF5 avec les kinases MST est essentielle pour l'activation de la voie Hippo médiée par le complexe RASSF5-GTPase. Nous avons également révélé que RASSF3, RASSF4 et RASSF8 lient les GTPases de la sous-famille RAS inhibitrices de croissance. RASSF8 subit une séparation de type liquide-liquide et réside avec YAP dans des gouttelettes non-membranaires. De plus, l'expression des partenaires GTPase de RASSF8 redistribue les condensats de RASSF8 et YAP de grandes structures périnucléaires. YAP et la voie Hippo entraînent une résistance aux inhibiteurs de RAS dans les cancers induits par RAS. Ainsi, nos découvertes sur l'association de RASSF5 et RASSF8 avec la voie Hippo pourraient aider à élucider les liens manquants entre les signalisations RAS et Hippo. Nous avons également identifié RASSF3 comme le premier effecteur canonique de MIRO1/2, des GTPases mitochondriales essentielles pour le fonctionnement et l'homéostasie des mitochondries. L'interaction de RASSF3 avec MIRO dans les mitochondries entraîne un effondrement du réseau mitochondrial. Pour comprendre la dynamique du réseau des GTPases, nous développons un outil de GTPase piégée inductible par la rapamycine. Ainsi, le piège qui garde la GTPase surexprimée inactive peut être libérée et la GTPase activée de manière conditionnelle en utilisant le traitement à la rapamycine. Cet outil sera utile pour élucider le rôle précis de chaque GTPase dans la régulation des effecteurs en aval in cellulo. Par conséquent, cette étude révèle la nature complexe des interactions entre GTPases et effecteurs et met en lumière l'importance biologique des protéines RASSF. / The three RAS proto-oncogenes, namely HRAS, KRAS and NRAS (H/K/NRAS) are the most frequently mutated genes in human cancers. H/K/NRAS small GTPases are fundamental regulators of development and bind distinct effector proteins to transmit signals to diverse cellular pathways. RAS effectors are defined by a RAS-binding domain (RBD) which recognizes the GTP-bound activated conformation of RAS and activates downstream signalling pathways. For example, RAF and PI3K effectors regulate the MAPK and PI3K-AKT signalling pathways, respectively, to control proliferation, survival and tumorigenesis. Whereas RASSF5 directs RAS to the tumour suppressor Hippo pathway but this remains less understood. Interestingly, the RAS Association domain family (RASSF) comprises 10 purported downstream RAS effectors, each of which comprises an RBD, but only RASSF5 binds to H/K/NRAS. RASSF are known tumour suppressors and are among the most frequently downregulated proteins in cancers. There are approximately 160 proteins in the human RAS superfamily that are clustered into five subfamilies: RAS, RHO, RAN, RAB and ARF. While H/K/NRAS are the best-characterized and have been a principal focus of cancer research, cellular functions, regulation and effectors for many other GTPases of the RAS superfamily remain recondite. My doctoral research therefore aimed to investigate the role of RASSF effectors by mapping the interactions of BRAF and four RASSF proteins with 83 GTPases belonging to the RAS, RHO and ARF subfamilies and use this knowledge to unravel the complex interplay between GTPase and effectors. I uncovered 39 RASSF–GTPase interactions and addressed key questions on RBD specificity towards GTPases. I found that while BRAF demonstrates restricted specificity for classical H/K/NRAS, RASSF shows plasticity in its interaction with GTPases. RASSF5 interacts with 10 distinct growth-promoting GTPases of the RAS subfamily (H/K/NRAS, RAP2B/2C, RRAS1/2, MRAS and RIT1/2). RASSF5–GTPase complex at the plasma membrane redistributes YAP to the cytosol and activates Hippo signalling. I also showed that RASSF5 interaction with MST hippo kinases is essential for RASSF5–GTPase complex-mediated activation of the Hippo pathway. I further revealed that RASSF3, RASSF4 and RASSF8 bind distinct growth-inhibiting RAS subfamily GTPases. RASSF8 undergoes liquid-liquid phase separation and resides in membraneless, phase-separated YAP condensates. Further, the expression of GTPase partners of RASSF8 redistributes RASSF8 and YAP condensates to large peri-nuclear structures. These findings show several GTPase–RASSF complexes play a role in Hippo signalling which may serve as potential therapeutic targets for RAS- or YAP-driven cancers. I also identified RASSF3 as the first canonical effector of MIRO1/2, mitochondrial GTPases that are essential for mitochondrial functions and homeostasis. RASSF3 interaction with MIRO at the mitochondria results in a collapse of the mitochondrial network. To understand the dynamics of the GTPase network, I am further developing a rapamycin-inducible trapped GTPase (RITG) tool, wherein a GTPase can be overexpressed while remaining occluded, and can be conditionally released or activated. This tool can be useful in elucidating the role of GTPases in the regulation of downstream effectors in cellulo. Overall, this study reveals the complex nature of GTPase–effector interactions and uncovers the biological significance of RASSF proteins.

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus. / Plants must protect the integrity of three genomes located respectively in the nucleus, the chloroplasts and the mitochondria. Although DNA repair mechanisms in the nucleus are the subject of multiple studies, little attention has been paid to DNA repair mechanisms in chloroplasts and mitochondria. This is unfortunate since mutations in the chloroplast or the mitochondrial genome can lead to altered plant growth and development. Our laboratory has identified a new family of proteins, the Whirlies, whose members are located in plant mitochondria and chloroplasts. These proteins form tetramers that bind single-stranded DNA and play various roles associated with DNA metabolism. In Arabidopsis, two Whirly proteins maintain chloroplast genome stability. Whether or not these proteins are involved in DNA repair has so far not been investigated. Our studies in Arabidopsis demonstrate that DNA double-strand breaks are repaired in both mitochondria and chloroplasts through a microhomology-mediated repair pathway and indicate that Whirly proteins affect this pathway. In particular, the role of Whirly proteins would be to promote accurate repair of organelle DNA by preventing the repair of DNA double-strand breaks by the microhomology-dependant pathway. To understand how Whirly proteins mediate this function, we solved the crystal structure of Whirly-DNA complexes. These structures show that Whirly proteins bind single-stranded DNA with low sequence specificity. The DNA is maintained in an extended conformation between the β-sheets of adjacent protomers, thus preventing spurious annealing with a complementary strand. In turn, this prevents formation of DNA rearrangements and favors accurate DNA repair. We also show that upon binding long ssDNA sequences, Whirly proteins assemble into higher order structures, or hexamers of tetramers, thus forming spherical particles of twelve nanometers in diameter. We also demonstrate that a lysine residue conserved among plant Whirly proteins is important for the stability of these higher order structures as well as for cooperative binding to DNA and for DNA repair. Overall, our study elucidates some of the mechanisms of DNA repair in plant organelles as well as the roles of Whirly proteins in this process.