Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La maladie de la rouille foliaire du peuplier, causée par le basidiomycète Melampsora larici-populina (Mlp) cause des dégâts importants dans les peupleraies européennes. Le séquençage du génome de la souche 98AG31 de Mlp a ouvert de nouvelles perspectives pour l'identification de déterminants géniques impliqués dans le processus infectieux du champignon et notamment ceux codant des effecteurs fongiques capables de manipuler la structure et le fonctionnement de la cellule hôte pour assurer le succès de l'infection. L'analyse du transcriptome du champignon au cours des différentes phases du processus infectieux, basée sur l'utilisation de puces à oligonucléotides NimbleGen ou le séquençage massifs d'ESTs, a permis d?identifier des gènes marqueurs de la germination, de la phase de croissance biotrophe et de la sporulation du champignon. Nous avons notamment pu montrer l'induction importante de nombreux gènes codant des petites protéines sécrétées (SSPs) au cours de la phase biotrophe à 96 hpi heures post-inoculation (hpi) ainsi qu'au sein du parenchyme lacuneux à 168 hpi par microdissection à capture laser. L?analyse fine du sécrétome de Mlp, basée sur l'annotation, l'évolution et l'expression des gènes codant des SSPs a permis de mettre à jour des effecteurs candidats. Certains, spécifiquement exprimés in planta ou présentant des homologies de séquence avec des effecteurs de rouilles ont été localisés au niveau de l'haustorium. De manière intéressante, d'autre gènes candidats appartenant à des familles multigéniques sous pression de sélection positive, sont riches en cystéines, spécifiquement exprimés in planta et possèdent un motif de translocation potentiellement impliqué dans l'export de l'effecteur dans la cellule hôte. Ce travail d'analyse fine des effecteurs potentiels d'un agent de rouille à l'échelle génomique va contribuer à l'amélioration des connaissances sur la biologie de ces champignons biotrophes et contribuera à faciliter la recherche de nouvelles méthodes de lutte contre la maladie / The leaf rust disease caused by Melampsora larici-populina (Mlp) is the main disease affecting poplar plantations in Europe with severe economic losses. The recent sequencing of the genome of Mlp (strain 98AG31) opens new perspectives to identify key genes involved in the fungal infection process and particularly those encoding fungal effectors that could manipulate host cell structure and function to facilitate host colonization. Analysis of the rust transcriptome during time course infection of poplar leaves, based on NimbleGen oligoarrays and massive EST sequencing led to the identification of genes related to fungal germination, biotrophy and sporulation. A consistant induction of genes encoding small-secreted proteins (SSPs) was observed during the biotrophic growth at 96 hours post-inoculation (hpi) but also at 168 hpi in the palisade mesophyll using laser capture microdissection. Mlp Secretome analysis, based on annotation, evolution and expression of genes encoding SSPs helped in identifying candidate poplar rust effectors. Some, specifically expressed in planta or showing homologies with known rust effectors were localized around the haustorium. Interestingly, other candidate genes, belonging to multigenic families under diversifying selection are cystein-rich, specifically expressed in planta and harbour a translocation signal potentially involved in effector export inside host cell. This genome-wide analysis of putative fungal effectors will contribute to the general knowledge of rust biology and will help to set new approaches to prevent and control the disease

La symbiose ectomycorhizienne associe les racines d’un arbre aux hyphes d’un champignon, conduisant à un échange réciproque de nutriments entre les deux partenaires. La colonisation fongique massive du cortex racinaire est caractérisée par la formation d’une interface symbiotique, le réseau de Hartig. L’acquisition du génome du symbionte ectomycorhizien Laccaria bicolor a permis d’identifier des petites protéines prédites sécrétées, les MiSSPs (Mycorrhiza-induced Small Secreted Proteins). Mon projet de thèse avait pour objectifs la comparaison des sécrétomes, notamment les petites protéines sécrétées (SSPs), de champignons ectomycorhiziens et saprotrophes, la localisation subcellulaire in planta et l’analyse fonctionnelle de MiSSPs de L. bicolor. L’analyse bioinformatique a notamment permis de révéler des clusters de SSPs conservées entre champignons ectomycorhiziens et saprotrophes ou spécifiques de champignons ectomycorhiziens, mettant en lumière que les champignons ectomycorhiziens partagent des SSPs avec leurs ancêtres saprotrophes mais possèdent aussi d’autres SSPs spécifiques à leur mode de vie. Un jeu de MiSSPs de L. bicolor ont été localisées in planta. Trois d’entre eux ciblent spécifiquement des compartiments subcellulaires de la cellule végétale. Le motif répété DWRR présent dans la séquence de MiSSP8 est partagé par une famille de protéine fongique de champignons majoritairement saprotrophes. Ces résultats suggèrent que l’utilisation de SSPs comme moyen de communication est générique chez les champignons et démontrent aussi qu’au moins une petite protéine sécrétée requise pour la symbiose de L. bicolor a évoluée à partir de protéines de champignons saprotrophes / Roots of most trees form ectomycorrhizal (ECM) symbiosis with mutualistic soil-borne fungi, relying on a bi-directional exchange of nutrients between the two partners. Fungal colonization of cortical root cells form the Hartig net, a symbiotic interface. Functioning of this symbiotic interface is not well known. However, Laccaria bicolor genome sequencing sheds the light on upregulated small-secreted proteins, so-called MiSSPs (Mycorrhiza-Small Secreted Proteins). Several L. bicolor MiSSPs were demonstrated as symbiosis effectors. My PhD project aims to compare secretomes, in particular SSPs, of fungal with different lifestyles and pursue functional analysis of MiSSPs of L. bicolor. Based on the clustering analysis, we identified clusters of SSPs shared between saprotrophic and ECM fungi and clusters of SSPs specific to ECM-fungi. This study highlights that ECM fungi share SSPs with their saprotrophic ancestors but also possess lifestyle specific SSPs. In planta subcellular localization of a set of MiSSPs belonging to a core-regulon showed that three of them are able to target different plant subcellular compartments. Functional analysis of the symbiosis effector MiSSP8 does not lead to the identification of a putative interactor but the repetitive motif DWRR of MiSSP8 protein sequence is unique to fungi and is shared with SSPs from saprotrophic ancestors. Our results suggest the use of SSPs as mean of communication is common and generic and show at least one SSPs required for ectomycorhizal symbiosis of L. bicolor has evolved from SSPs found in saprotrophic fungi

Durant ces dernières décennies, les systèmes enzymatiques de dégradation du bois sécrétés par les champignons ont fait l’objet de nombreuses études aboutissant à la caractérisation fonctionnelle et biochimique des enzymes extracellulaires majeures agissant directement sur le polymère. Cependant, les systèmes annexes associés au processus de dégradation n’ont à l’heure actuelle été que peu étudiés. En particulier, les systèmes de détoxication et de réponses des champignons au stress généré par le processus de dégradation ainsi que les mécanismes lui permettant de croître dans cet environnement hostile sont encore peu connus. Ce stress est majoritairement dû à la présence de radicaux et d’extractibles. Les extractibles sont des molécules issues du métabolisme secondaire de l’arbre qui sont synthétisés pour augmenter la durabilité du bois face aux attaques biotiques et abiotiques. Une analyse transcriptomique réalisée au laboratoire a mis en évidence la surexpression de gènes codant des petites protéines sécrétées (SSP) chez Phanerochaete chrysosporium lors d’une culture en présence d’extractibles de chêne. La fonction de ce type de protéines chez les champignons lignolytiques est inconnue. Mon projet de thèse a porté sur la caractérisation d’une de ces SSP (SSP1). Les résultats obtenus ont révélé des propriétés biochimiques atypiques pour cette protéine qui est capable de former une structure fibrillaire, notamment grâce à la présence d’un domaine C-terminal riche en alanine et glycine. De plus, nous avons pu montrer que cette protéine présentait une activité β-glucuronidase in vitro, qui est dépendante de son état d’oligomérisation. Une approche physiologique a également été abordée grâce à l’obtention de mutants knock-out de SSP de Podospora anserina. La caractérisation de ces mutants a montré un défaut de croissance en condition de stress oxydant et en présence de molécules perturbant l’intégrité de la paroi cellulaire. Enfin, une analyse in silico des orthologues de SSP1 a montré la présence de ce gène dans les génomes d’organismes saprophytes, ectomycorhiziens ou pathogènes suggérant un rôle indirect de cette protéine dans les processus de dégradation du bois, probablement en lien avec la gestion du stress associé / During the last decades, the enzymatic systems involved in wood degradation have been intensively studied in fungi. This has led to functional and biochemical characterization of the main extracellular enzymes that are involved in the process. However, other systems associated to the degradation mechanisms have been poorly studied. In particular, the detoxification and stress response pathways allowing the fungus to grow in and resist the toxic conditions that are associated to the degradative process are still unknown. This stress is mostly due to the presence of radicals and extractives. Extractives are putative toxic compounds produced as secondary metabolites in tree to enhance wood durability against biotic and abiotic attacks. A transcriptomic analysis performed in the laboratory highlighted the up-regulation of genes coding for small secreted proteins (SSP) in Phanerochaete chrysosporium in presence of oak extractives. The functions of these SSP are unknown in lignolytic fungi. My PhD project was focused on the characterization of one of these SSP (namely SSP1) of P. chrysosporium. The biochemical data revealed atypical features for SSP1. Indeed, it is able to form fibrilar structure, thanks to an alanine-rich and glycine-rich C-terminal domain. Moreover, we have shown that this protein exhibits β-glucuronidase activity in vitro which is dependent on its oligomerization state. Physiological data were obtained thanks to the obtention of SSP knock-out mutants in Podospora anserina. These mutants have growth defect in oxidizing stress condition and in presence of cell wall-disruptive compounds. Finally, the in silico analysis of SSP1 orthologues revealed the presence of this gene in genomes of saprophytic, ectomycorrhizal or pathogenic fungi, suggesting an indirect role of this protein in wood degradation processes, probably linked to the associated stress

Le squelette 1,3,5-triazépane-2,6-dione est un hétérocycle à sept chainons dérivé de dipeptides et accessible en quatre étapes en solution. Une voie de synthèse en parallèle sur support solide de cet hétérocycle a été élaborée. Cette synthèse, qui repose sur les principes de "catch and release" et de cyclo-clivage, a permis la création d’une chimiothèque de plus d’une centaine de composés. Pour augmenter la diversité du squelette 1,3,5-triazépane-2,6-dione, des modifications post-cyclisation peuvent avoir lieu telles que des réactions de N-mono-alkylation ou de N,N-di-alkylation de l’urée, des réactions d’acylation ou bien des réactions de thionation des fonctions carbonyles. De même, la synthèse des cycles analogues aux 1,3,5-triazépane-2,6-diones des tailles plus importantes a été examinée conduisant à l’obtention de plusieurs macrocycles.Les 1,3,5-triazépane-2,6-diones présentent un fort potentiel pour la recherche de molécules d’intérêt thérapeutique puisque le cycle est rigide, non-planaire et possède une bonne capacité de distribution des pharmacophores dans l’espace. Des molécules de cette famille présentent une activité inhibitrice modérée mais spécifique sur les phospholipases A2 secrétées humaines de type V et X. La recherche de nouveaux inhibiteurs de sPLA2 par une étude de relation structure/activité, par création d’une pince à calcium ou par simulation moléculaire a conduit à l’identification de nouveaux composés actifs. / The 1,3,5-triazepane-2,6-dione scaffold is a seven membered heterocycle derived from dipeptides and accessible in a four steps synthesis in solution. A parallel solid phase synthesis of this heterocycle was developed. This strategy, based on "catch and release" and cyclo-cleavage processes, had created a library containing more than one hundred compounds. To increase the diversity of 1,3,5-triazepane-2,6-dione moieties, some post-cyclisation modifications were performed, e.g. urea N-mono-alkylation or N,N-di-alkylation, acylation, and carbonyl thionation. Synthesis of larger cycles was also investigated and several macrocycles were obtained.The 1,3,5-triazepane-2,6-diones have a strong pharmacological interest, because their cycle is rigid, non-planar and can allow multiple presentation of pharmacophores in space. Some 1,3,5-triazepane-2,6-diones have shown a small but specific activity on the groups V and X of the human secreted phospholipases A2. Structure/activity relationships, clamp synthesis to bind calcium or virtual screening were the strategies used to identify new active compounds.

Les exosomes sont des vésicules membranaires de 30 à 100 nm de diamètre, formées dans les endosomes multivésiculaires et sécrétées par la plupart des cellules. Les propriétés biophysiques et biochimiques des exosomes ainsi que les mécanismes permettant leur biogénèse et sécrétion ont fait l’objet de nombreuses études. Cependant, ces derniers sont encore méconnus, limitant l'analyse des fonctions des exosomes in vivo. Au moins deux mécanismes ont été proposés pour la biogénèse des exosomes : un mécanisme nécessiterait l’action de protéines impliquées dans le tri endosomal, les ESCRT (« endosomalsorting complex required for transport »). Un autre mécanisme serait indépendant de leur fonction. La sécrétion des exosomes, une fois générés dans les endosomes, requiert la petite GTPase, Rab27a, comme montré dans un modèle cellulaire humain. Mes travaux de thèse ont porté sur l’étude des mécanismes moléculaires impliqués dans la biogénèse et la sécrétion des exosomes. Une première étude visant à analyser la fonction de Rab27a dans des cellules murines, m’a permis de mettre en évidence l’existence de différentes populations d’exosomes, dont la sécrétion dépend ou non de Rab27a. Une deuxième étude a eu pour objectif d’analyser l’implication des ESCRT dans la biogénèse des exosomes dans des cellules HeLa CIITA. Le criblage d’une librairie d’ARN d’interférence dirigés contre les différentes protéines ESCRT, a permis l’identification de 7 molécules potentiellement impliquées dans cette voie : HRS, STAM1, TSG101, leur inactivation induisant la diminution de la sécrétion des exosomes. L’inactivation de CHMP4C, VPS4B,VTA1 et ALIX, au contraire, l’augmente. L’inhibition de l’expression de ces candidats suivie de l’analyse des exosomes sécrétés a démontré l’hétérogénéité des vésicules sécrétées, et une modification de leur taille et de leur composition protéique par rapport aux cellules contrôle. Plus particulièrement, l’inactivation d’ALIX induit une augmentation de lasécrétion d‘exosomes de plus grande taille, et l’enrichissement sélectif en molécules de CMH de classe II. En accord, j’ai montré que les cellules inactivées pour ALIX, aussi bien des cellules HeLa que des cellules dendritiques humaines ont une plus forte expression de CMH de classe II à la surface et dans des compartiments intracellulaires. Ces résultats suggèrent l’implication de certains membres de la famille ESCRT dans la voie de biogenèse et sécrétion des exosomes, ainsi qu’un rôle potentiel d’Alix dans le trafic des molécules CMH de classe II, et dans la modulation de la composition protéique des exosomes. / Exosomes are small membrane vesicles with sizes ranging from 30 to 100 nm in diameter, which are formed in multivesicular endosomes and secreted by most cell types. Numerous studies have focused on the biophysical and biochemical properties of exosomes, as well as the mechanisms of biogenesis and secretion of these vesicles. However, these aspects are not fully understood, which limits the analysis of the functions of exosomes in vivo. At least two mechanisms have been proposed for the biogenesis of exosomes : one would rely on the function of proteins involved in endosomal sorting, the ESCRT family (for “endosomal sorting complex required for transport”). Another mechanism would be independent of their activity. Once exosomes are formed in endosomes, their secretion requires the small GTPase RAB27A, as shown in a human cell line. The objective of my PhD project was to gain insights into the molecular mechanisms that drive exosome biogenesis and secretion. A first study performed to analyze the function of Rab27a in murine cells allowed me to show the existence of different populations of exosomes, dependent or not on Rab27a for their secretion. A second study was aimed at analyzing the involvement of ESCRT proteins in exosome biogenesis in HeLa-CIITA cells. Seven molecules potentially involved in this process were identified on the basis of the screening of an RNA interference library directed against the different ESCRT proteins: the inactivation of HRS, STAM1 and TSG101 induced a decrease in exosome secretion, whereas the down regulation of CHMP4C, VPS4B, VTA1 and ALIX increased it. Gene expression of the different candidate proteins was inhibited and exosomes secreted by these cells were analyzed: we showed the heterogeneity of the secreted vesicles, as well as an alteration of their size and protein composition, as compared to control cells. In particular, the inactivation of ALIX induced an increase in the secretion of larger vesicles, and the selective enrichment of these vesicles in MHC class II molecules. Accordingly, I showed that both HeLa-CIITA and human primary dendritic cells inactivated for ALIX possess a higher expression of MHC class II molecules at the cell surface and in intracellular compartments. These results suggest that some members of the ESCRT family are involved in the exosome biogenesis and secretion pathway, and propose a potential role of ALIX in the trafficking of MHC class II molecules and in the modulation of the protein composition of exosomes.