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.

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.