Ce projet vise à cartographier la machinerie de régulation des Rho GTPases chez C. elegans afin de mieux comprendre les mécanismes d'intégration des voies de signalisation au cours du développement des organismes multicellulaires. La première partie du projet consistait à caractériser la spécificité catalytique des Rho GAP envers les Rho GTPases in silico et in vitro. En adaptant un programme de prédiction de structures tridimensionnelles, Combinatorial Extension (CE), nous avons pu faire corréler une similitude structurelle avec la spécificité catalytique des GAP. Ce prédicteur amélioré a validé des interactions GAP-GTPase connues: cinq chez les mammifères et quatre avec des GAP homologues chez C. elegans. Les résultats de conservation des interactions que nous avons obtenus, permettent de justifier l'utilisation de ce nématode comme modèle d'étude pour l'humain. Par la suite, nous avons optimisé les essais expérimentaux pour tester la spécificité catalytique des Rho GAP de C. elegans en vue de valider le prédicteur. Dans la deuxième partie nous avons étudié les interactions fonctionnelles des Rho GAP au cours du développement embryonnaire du C. elegans in vivo. Les résultats obtenus nous ont aidés à mieux comprendre le réseau de régulation de la GTPase rho-1 par les GAP rga-5, gei-1 et rga-13 au cours de l'élongation embryonnaire. De plus, nous savons désormais qu'ocrl-1 est dans une voie antagoniste à rga-5. Enfin, dans la troisième partie de notre travail, nous avons mis au point une méthode d'analyse haut débit des interactions génétiques des Rho GAP sur le cytomètre en flux pour vers (le COPAS Biosort) avec des transgéniques histone::GFP. Puis cette méthode a été adaptée pour permettre d'utiliser des souches non fluorescentes, en colorant les noyaux des cellules des embryons fixés. Ce travail a apporté un nouvel outil de prédictions et a permis de simplifier les méthodes de travail pour l'étude des machineries de régulation de GTPases Rho. La technique haut-débit que nous avons développée pourrait aussi s'adapter à l'étude d'autres régulateurs (GEF, etc). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Caenorhabditis elegans, Rho GAP, prédicteur, développement embryonnaire, haut débit

Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (leaves 77-100). Also available in print.

Engineered protein systems have been created to impart new functions, or “re-program” mammalian cells for applications including cancer and HIV/AIDS therapies. The successful development of mammalian cells for re-programming will depend on having well-defined, modular systems. Migration is a particularly important cell function that will determine the efficiency and efficacy of many re-programming applications in vivo, and Rho proteins are responsible for regulation of cell migration natively. While there have been several reports of photo-activated Rho proteins, no strategy has been developed such that Rho proteins and cell migration can be controlled by a variety of extracellular stimuli that may be compatible with signaling in large organisms. Here, several methods are described for engineering Ca2+-sensitive Rho proteins so that the large, natural toolbox of Ca2+-mobilizing proteins can use the Ca2+ intermediate to activate Rho proteins in response to a variety of exogenous stimuli, including chemicals, growth factors, and light. First, an unreported calmodulin binding site was identified in RhoA. This knowledge was used to create a tandem fusion of RhoA and calmodulin that mediated Ca2+-sensitive bleb retraction in response to a variety of Ca2+-elevating chemicals. Ca2+-mobilizing modules including channelrhodopsin-2 and nicotinic acetylcholine receptor α4 were used for light- and acetylcholine-dependent bleb retraction. Second, a more robust morphology switch was created by embedding a calmodulin binding site into RhoA to enable Ca2+-responsive bleb formation. A wider range of Ca2+-mobilizing modules were also used here including LOVS1K/Orai1 and vascular endothelial growth factor 2. Combining Ca2+-mobilizing and Ca2+-responsive modules increased amoeboid-like cell migration in wound closure and transwell assays. Finally, the embedded peptide design was applied to Rac1 and Cdc42 to enable control of new morphologies and migration modes. The modular Ca2+ control over Rho proteins developed here is an important contribution to cell re-programming because it shows that control over cell migration can be rewired in a way that is flexible and tunable.

Thesis (Ph.D.)--University of California, San Francisco, 2004. / Includes bibliographical references. Also available online.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2005. / Supervisor: Surangani Dharmawardane. Vita. Includes bibliographical references.

No description available.

Introduction : Chez les malades porteurs d’une broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) modérée à sévère, l’hypoxie induit à la fois une augmentation du tonus vasculaire pulmonaire et la survenue d’un remodelage tissulaire touchant les trois tuniques des vaisseaux pulmonaires. Des données récentes montraient que la voie RhoA/Rho-kinase était impliquée dans le dysfonctionnement endothélial et dans la vasoconstriction induite par l’endothéline-1 (ET-1) chez les sujets tabagiques et les patients porteurs d’une hyperension artérielle pulmonaire (HTAP). Objectifs : Le but de ce travail était de clarifier le rôle de la voie RhoA/Rho-kinase dans la vasodilatation pulmonaire dépendante de l’endothélium et la vasoconstriction pulmonaire induite par l’ET-1, ainsi que les différents niveaux d’interaction entre la voie RhoA/Rho-kinase et celle de la NO synthase endothéliale (NOS-3) chez les patients BPCO post-tabagiques. Matériels et Méthodes : Les prélèvements d’artères pulmonaires et de tissus pulmonaire provenaient des patients porteurs d’un cancer broncho-pulmonaire, opérés pour une lobectomie ou pneumonectomie. L’expression protéique de la NOS-3, des récepteurs de l’ET-1 (ET-A et ET-B), des Rho-kinases (ROCK- 1 et ROCK-2), de la petite protéine G RhoA (sous sa forme activée, liée au GTP, ou sous sa forme inactivée), et de la forme phosphorylée de la sous-unité pMYPT-1 ont été évaluées par immunohistochimie, western blot, et immunoprécipitation. Les activités enzymatiques de la NO synthase et de la Rho-kinase, ainsi que la concentration du GMPc ont été mesurées par la méthode Elisa. L’expression des ARNm de l’ET-1, ET-A, et ET-B a été quantifiée par RT-PCR. Résultats : La relaxation dépendante de l’endothélium des vaisseaux pulmonaires était nettement réduite chez les BPCO par rapport aux témoins (P < 0,05). De façon plus surprenante, nous avions retrouvé la même différence significative entre le groupe témoin et le groupe des patients tabagiques sans TVO. La vasoconstriction pulmonaire en réponse à l’ET-1 était augmentée chez les patients BPCO par rapport aux deux autres groupes (P < 0,05). L’expression protéique de la NOS-3 ainsi que les expressions en ARNm de l’ET-1 et des récepteurs ET-A et ET-B n’étaient pas significativement différentes entre les trois groupes (P > 0,05). L’expression de la RhoA-GTP, ROCK-1, ROCK-2, et pMYPT-1 était augmentée chez les patients BPCO mais également chez les fumeurs sans TVO (P < 0,01 et P < 0,05). L’activité de la NOS-3 était diminuée chez les BPCO avec et sans hypoxémie (P < 0,01, P < 0,05). La concentration du GMPc dans les tissus pulmonaires et dans les artères pulmonaires était diminuée de façon parallèle chez les patients BPCO hypoxémiques par rapport aux BPCO non-hypoxémiques. En revanche, l’activité des Rho-kinases n’était augmentée que chez les patients BPCO (P < 0,001) et ne semblait pas être augmentée chez les fumeurs sans TVO par rapport aux témoins. Conclusion : Notre étude a montré que la voie de signalisation RhoA/Rho-kinase module la fonction endothéliale en diminuant l’expression et l’activité de la NO synthase et en favorisant l’effet de l’ET-1, ce qui aboutit à une augmentation du tonus vasculaire pulmonaire des patients porteurs d’une BPCO post-tabagique mais également chez des fumeurs sans TVO / Background : In patients with moderate to severe chronic obstructive pulmonary disease (COPD), hypoxia induces an increase of pulmonary vascular tonus and vascular remodeling. Recent data showed that RhoA/Rho-kinase pathway had been involved in endothelial dysfunction and vasoconstriction induced by endothelin-1 (ET-1) in smokers and in patients with pulmonary hypertension (PA). Objective : The aims of study were to clarify the role of RhoA/Rho-kinase pathway in pulmonary vasodilatation endothelium dependent and the interaction between Rho-A/Rho-kinase and endothelial NOS (NOS-3) signalization in cigarette smoke-induced COPD patients. Material and Methods : Lung tissues and pulmonary arteries from patients with broncho-pulmonary cancer, operated for lobectomy or pneumonectomy. Protein expression of NOS-3, ET-1 receptors (ET-A and ET-B), Rho-kinase (ROCK-1 and ROCK-2), a small protein G RhoA (active form combined to GTP or inactive forme), and phosphorylated form of pMYPT-1 subunit had been evaluated by immunohistochemistry, western blot, and pull-down assay. Enzyme activity of NO synthase, Rho-kinase, and the concentration of cGMP had been measured by Elisa. mRNA expression had been quantified by RT-PCR. Results : Endothelium-dependent relaxation of pulmonary vessels was clearly reduced in COPD patients in comparison with control subjects (P < 0.05). Surprisingly, we founded the significant difference of relaxation between smokers without airflow obstruction and control subjects. Pulmonary vasoconstriction in response to ET-1 was increased in COPD patients as compared to two other groups (P < 0.05). Protein expression of NOS-3 and mRNA expression of ET-1 and ET-A/ET-B receptors were not significant different between three groups (P > 0.05). Expression of GTP-Rho-A, ROCK-1, ROCK-2, and pMYPT-1 were increased in COPD and in smokers without airway obstruction (P < 0.01 and P < 0.05). NOS-3 activity was reduced in COPD patients with and without hypoxemia (P < 0.01 and P < 0.05). The concentration of cGMP in lung tissues and pulmonary arteries were reduced in hypoxemic COPD patients in comparison with non-hypoxemic COPD patients. Whereas, Rho-kinase activity had been increased predominantly in COPD patients (P < 0.001) than in smokers without COPD as compared to control subjects. Conclusion : The present study showed that RhoA/Rho-kinase pathway modulated the endothelial function by decreasing the expression and activity of NO synthase. It facilitated the effect of ET-1 in pulmonary vasoconstriction. These phenomena produced an increase of pulmonary vascular tonus in cigarette smoke-induced COPD and in smokers without airway obstruction

Dans le but de déterminer le rôle des Rho GTPases et de leurs régulateurs dans les cellules hématopoïétiques, une analyse des niveaux d’expressions de 300 gènes codant pour des protéines impliquées dans les voies de signalisation dépendantes de Rho a été faite à partir d’échantillons de patients atteints de leucémies de type T-ALL. Il a ainsi pu être mis en évidence qu’un groupe de gènes incluant notamment RacGAP1, Ect2, Citron et ARHGAP19 variaient parallèlement. A l’exception de ARHGAP19, ces gènes avaient une fonction connue au cours de la mitose. Il a donc été entrepris de caractériser ARHGAP19 qui, d’après les banques de données, est spécifique du système hématopoïétique, et pour laquelle aucune fonction n’avait encore été déterminée.Afin de déterminer la fonction biologique de GAP19, un anticorps a été généré. Cet outil nous a permis de montrer que l’expression de la protéine est régulée au cours du cycle cellulaire et que sa localisation varie au cours de la mitose. Par ailleurs, nous avons montré que GAP19, joue un rôle essentiel dans le changement de forme des lymphocytes en mitose, la ségrégation des chromatides sœurs et le recrutement membranaire des effecteurs de RhoA au cours de la mitose. Nous avons aussi mis en évidence le mécanisme par lequel GAP19 permet le changement de forme dans les lymphocytes.Nous avons aussi montré que GAP19 est phosphorylée par CDK1 sur deux résidus présents dans la partie C-Terminale. Afin de mettre en évidence le rôle de ces phosphorylations, nous avons généré des cellules Kit225 transfectées avec des plasmides pour les formes non-phosphorylables de la protéine. Ceci nous a permis de mettre en évidence que la phosphorylation des résidus T404 et T476 permet la localisation cytoplasmique de GAP19 en début de mitose. Nous avons aussi pu observer lors de l’anaphase la formation de ponts de chromatines, ainsi qu’une augmentation significative de cellules multinucléées. Par ailleurs, nous avons procédé à des expériences de cytogénétique et d’immunofluorescence afin de déterminer, si les ponts de chromatines avaient pour origine soit des défauts de condensation de la chromatine, soit un stress réplicatif.Enfin, un possible modèle de la protéine ARHGAP19 a été généré et des simulations de dynamiques moléculaires réalisées afin de comprendre le rôle des phosphorylations par CDK1 a un niveau structurel. / In an attempt to understand the role of Rho GTPases and their regulators in hematopoietic cell lines, expression levels of 300 genes were analyzed for proteins involved in Rho dependent signaling pathways from patients with T-ALL leukemia.It was shown that a group of genes consisting of RacGAP1, Ect2 and Citron varied concomitantly. With the exception of ARHGAP19, all already had a known function during mitosis. Consequently, it was decided to characterize ARHGAP19, which according to databases is specific of hematopoietic cell lines, and whose function was unknown. In order to determine the biological function of ARHGAP19, a specific antibody has been generated. This allowed us to demonstrate that the level of expression of the protein vary during the cell cycle and its localization varies during mitosis. In addition, we have shown that ARHGAP19 plays a central role in regulating cell shapes changes, sister chromatids segregation and RhoA effectors membrane recruitment during mitosis. We have also shown that this occurs by a previously undescribed pathway involving RhoA-ROCK-Vimentin.Finally, we have demonstrated that ARHGAP19 is a substrate of CDK1. It is phosphorylated on two residues located in the C-Terminal region of the protein. For investigating the role of these phosphorylations, we have generated Kit225 cell lines transfected with plasmids coding for the non-phosphorylable forms of the protein. This allowed us to show that phosphorylation of residue T404 and T476 are involved preventing GAP19 recruitment at the equatorial cell cortex during mitosis.In addition, we have observed the formation of chromatin bridges, as well as an increase in multinucleated cells. Thus, we have performed cytogenetic experiments for determining if chromatin bridges are due to chromosome condensation defects, or replicative stress. Finally, a possible tertiary structure of ARHGAP19 has been created de novo, and molecular dynamics simulations were generated in order to understand the role of these phosphorylations by CDK1 at a structural level.

Platelets, derived from megakaryocytes (MKs) in the bone marrow (BM), are small, anucleated cells that circulate in the bloodstream and are critical for thrombosis and hemostasis. Megakaryo- and subsequent thrombopoiesis are highly orchestrated processes involving the differentiation and maturation of MKs from hematopoietic stem cells (HSCs), after which MKs are able to release platelets into the bloodstream, a process termed proplatelet formation (PPF). Here, the MK penetrates the endothelial lining and releases cytoplasmic portions (proplatelets) into the blood stream, which finally mature into platelets within the ciruculation. PPF requires an extensive crosstalk as well as a tight regulation of the MK cytoskeleton, in which small GTPases of the Rho family, such as RhoA and Cdc42 are critically involved and play opposing roles. MK and platelet specific Cdc42 or RhoA-deficiency in mice results in macrothrombocytopenia. Moreover, RhoA deficient mice displayed a frequent mislocalization of entire MKs into BM sinusoids, a finding that was reverted upon concomitant lack of Cdc42 but accompanied by an aggravated macrothrombocytopenia. Whether receptors are involved in the process of transendothelial MK migration, however, remained unclear. In the first part of this thesis, a centrifugation-based method (‘spin isolation’) to harvest murine BM cells was established, which not only reduces experimental time, costs and animals but is also highly suitable for studies on primary and in vitro cultured BM-derived cells. The spin isolation was used particularly for MK studies during the course of the thesis. In the second part of this thesis, a MK- and platelet-specific RhoA/Cdc42 double-deficiency was shown to result in reduced expression of a variety of MK-specific glycoproteins and cytoskeletal regulators of importance during MK maturation and PPF, a phenotype culminating in virtually abolished platelet biogenesis. We thus uncovered that RhoA/Cdc42-regulated gene expression is a prerequisite for cytoplasmic MK maturation, but dispensable for endomitosis. In the third part of this thesis we analyzed mice double-deficient in RhoA and prominent MK receptors which are potentially involved in the regulation of PPF in the BM environment. We were able to show that integrins as well as the inhibitory receptor G6b-B are dispensable for transendothelial migration of RhoA-deficient MKs. Surprisingly however, the myelofibrosis and concomitant osteosclerosis observed in G6b-B single-deficient mice was attenuated in RhoA/G6b B double-deficient mice, thus implying an important role of RhoA during myelofibrotic disease progression. BM transplantation experiments furthermore revealed that not only the macrothrombocytopenia but also the transmigration of RhoA-deficient MKs is due to cell-intrinsic defects and not related to possible Pf4-Cre off-target effects in non-hematopoietic cells. In the last part of this study we demonstrated that the new approach for MK- and platelet-specific gene ablatation using Gp1ba-Cre deleter mice is associated with intrinsic MK defects and in addition results in insufficient depletion of RhoA compared to the Pf4-Cre model, positioning the latter still as the gold standard for studying MK biology. / Thrombozyten, die von Megakaryozyten (MKs) im Knochenmark abgeschnürt werden, sind kleine, kernlose Zellen, die im Blutkreislauf zirkulieren und in Thrombose und Hämostase eine wichtige Rolle spielen. Während der Megakaryopoese differenzieren und reifen MKs von hämatopoetischen Stammzellen heran, um anschließend Thrombozyten in die Sinusoide des Knochenmarks zu entlassen. Dabei durchdringt der MK das Endothel und setzt zytoplasmatische Fragmente in den Blutstrom frei, die schließlich im Blutkreislauf zu Thrombozyten reifen. Der Prozess der Thrombozytenbildung erfordert eine umfangreiche Organisation des MK-Zytoskeletts, an der kleine GTPasen der Rho-Familie wie RhoA und Cdc42 kritisch beteiligt sind, wobei sie dabei gegensätzliche Rollen spielen. Der MK- und Thrombozyten-spezifische Verlust von Cdc42 oder RhoA in Mäusen führte zu einer Makrothrombozytopenie. Darüber hinaus wurde bei RhoA-defizienten Mäusen eine Fehllokalisation ganzer MKs in den Knochenmarkssinusoiden beobachtet, die bei gleichzeitigem Mangel von Cdc42, jedoch auf Kosten einer verschlimmerten Makrothrombozytopenie, wieder rückgängig gemacht wurde. Ob Rezeptoren am Prozess der transendothelialen MK Migration beteiligt sind, blieb bisher jedoch unklar. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine zentrifugationsbasierte Methode namens “Spin-Isolation” zur Gewinnung muriner Knochenmarkszellen etabliert, die nicht nur die Versuchszeit, Kosten und Anzahl der benötigten Versuchstiere reduziert, sondern sich auch sehr gut für Studien an primären und in vitro kultivierten Knochenmarkszellen eignet. Die Spin-Isolation wurde insbesondere für MK Studien im Rahmen der Dissertation eingesetzt. Im zweiten Teil dieser Arbeit zeigten wir, dass der gleichzeitige Verlust von RhoA und Cdc42 in MKs zu einer reduzierten Expression MK-spezifischer Glykoproteine und Zytoskelettregulatoren von Bedeutung für MK Reifung führte, wodurch die Thrombozytenbildung stark beinträchtigt war. Dadurch konnten wir aufzeigen, dass RhoA/Cdc42-regulierte Genexpression eine Voraussetzung für die zytoplasmatische MK-Reifung, nicht aber für die Endomitose, ist. Im dritten Teil dieser Arbeit analysierten wir Mäuse mit einer Doppeldefizienz in RhoA und prominenten MK-Rezeptoren, die möglicherweise mit der Regulation der Thrombozytenbildung im Knochenmark assoziiert sein könnten. Wir zeigten, dass sowohl Integrine als auch der inhibitorische Rezeptor G6b-B für die transendotheliale Migration von RhoA-defizienten MKs entbehrlich sind. Die bei G6b-B-defizienten Mäusen beobachtete Myelofibrose und Osteosklerose wurde jedoch bei RhoA/G6b-B doppelt defizienten Mäusen abgeschwächt, was eine wichtige Rolle von RhoA in myelofibrotischen Krankheitszuständen impliziert. Knochenmarktransplantationen zeigten darüber hinaus, dass nicht nur die Makrothrombozytopenie, sondern auch die Transmigration von RhoA-defizienten MKs auf zellintrinsische Defekte zurückzuführen ist und nicht mit den berichteten unspezifischen Effekten des Pf4-Cre Systems in nicht-hämatopoetischen Zellen einhergeht. Im letzten Teil dieser Studie zeigten wir, dass der neue Ansatz für die MK/Thrombozyten-spezifische Gendeletion mithilfe der Gp1ba-Cre Maus mit intrinsischen megakaryozytären Defekten assoziiert ist und darüber hinaus im Vergleich zum Pf4-Cre Modell zu einer unzureichenden Deletion von RhoA führte, wodurch Pf4-Cre immer noch der Goldstandard für Studien zu Megakaryozytenbiologie bleibt.

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