Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 293-345. Publ. aussi en version électronique.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Sur la p. de t. 2A apparaît en indice. Bibliogr.: f. 86-96. Publié aussi en version électronique.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. [130]-149. Publié aussi en version électronique.

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Ce projet de recherche porte sur la sous-unité gamma de la transducine (Gγt), participant à la phototransduction visuelle, plus précisément pour comprendre son mécanisme d'ancrage aux membranes par des interactions favorables de ses résidus et de son acylation de type farnésyle. La Gγt non-acylée a été obtenue en la surexprimant chez E. coli en fusion avec une étiquette de solubilisation/purification et en la purifiant par chromatographie d'affinité. L'identité de la séquence de la Gγt non-acylée a été confirmée par spectrométrie de masse. Afin d'étudier la forme acylée, des essais de surexpression ont été tentés en procédant à une cotransformation de la Gγt en présence de la farnésyle transférase. De plus, trois peptides ont été synthétisés commercialement pour analyser l'influence de chaque hélice alpha de la Gγt sur sa liaison membranaire, chacune comportant l'une des deux hélices : le segment C-terminal non-acylé, le segment C-terminal acylé et le segment N-terminal. Des analyses par dichroïsme circulaire et spectroscopie infrarouge ont permis de confirmer la structure secondaire native des formes de la Gγt et de caractériser leur dénaturation en fonction de la température et du temps. La liaison membranaire des formes de la Gγt a ensuite été analysée par le modèle des monocouches de Langmuir avec tensiométrie de surface, par spectroscopie infrarouge en présence de vésicules lipidiques et par spectroscopie infrarouge PM-IRRAS avec des monocouches de différents lipides. Finalement, l'analyse des résultats a permis de démontrer la fragilité de la structure de l'hélice alpha en C-terminal de la Gγt en fonction de la température et au cours de sa liaison membranaire ainsi que l'impact majeur de la farnésylation sur les propriétés de liaison membranaire de son segment C-terminal. Certaines questions de recherche ont été répondues et de nouvelles perspectives de recherche se dévoilent. / This research project aimed to study the gamma subunit (Gγt) of transducin, implicated in the visual phototransduction, more precisely the stability of its individual alpha helical segments and its mechanism of membrane binding involving favorable interactions from its residues and its farnesyl group. The non-acylated Gγt was obtained based on its expression in E. coli in fusion with a solubilization/purification tag and its subsequent purification by affinity chromatography. Its analysis by mass spectrometry allowed to confirm the identity of the non-acylated Gγt. The expression of the farnesylated Gγt was attempted. Three peptides were commercially synthesized to perform the analysis of each individual alpha helix of Gγt and to determine their role in its membrane binding. Each peptide segment contained one of the two alpha helices : the C-terminal non-acylated segment, the C-terminal acylated segment and the N-end segment. Circular dichroism and infrared spectroscopy analyses allowed to confirm the secondary structure of each form of Gγt, and their extent of denaturation has been determined as a function of temperature and time. The membrane binding of each form of Gγt was then analyzed using Langmuir monolayers with surface tensiometry, as well as by infrared spectroscopy in the presence of lipid vesicles and by infrared PM-IRRAS spectroscopy with different lipid monolayers. Finally, the results demonstrated the instability of the alpha helix of the C-terminal segment of Gγt as a function of temperature and the high impact of its farnesylation on the strength of its membrane binding. Some of the initially raised questions were answered while some new perspectives of research are presented.

GRB2 est une protéine adaptatrice régulant la transduction du signal en aval de récepteurs tyrosine kinases (RTK). En interagissant avec différentes combinaisons de récepteurs et d’effecteurs, GRB2 régule la spécificité et diversité des réponses cellulaires. La suractivation du RTK HER2 dans le cancer du sein (HER2+) est associée à un mauvais pronostic. GRB2 interagit avec ce dernier et soutient la progression tumorale dépendante de HER2, constituant ainsi un acteur majeur de la signalisation en aval de ce RTK. L’objectif du projet était de caractériser les réseaux de GRB2 dans le cancer mammaire HER2+. Nous avons utilisé des purifications d’affinité couplées à la spectrométrie de masse pour caractériser l’interactome de GRB2 dans différents modèles du cancer du sein HER2+. Nous avons ainsi identifié 35 partenaires de GRB2 dans une lignée de cancer mammaire HER2+, incluant des interacteurs connus tels que PTPN11. Ces expériences ont de plus permis de valider 5 partenaires de GRB2 non recensés dans la littérature. Nous avons également mis en évidence pour la première fois des modifications dans les réseaux de signalisation dépendants de GRB2 dans la progression tumorale du cancer du sein HER2+. En effet, 62 partenaires de GRB2 ont été identifiés dans deux modèles, dont 18 sont associés à la protéine adaptatrice exclusivement après modélisation de la progression tumorale. Parmi ces derniers, 6 interacteurs de GRB2 ont été caractérisés pour la première fois par ces expériences. Nos travaux ont donc permis l’identification de 72 partenaires de GRB2, dont 11 ne sont pas recensés dans la littérature. L’un des partenaires de GRB2 identifié dans cette étude, MPZL1, est une glycoprotéine membranaire participant au processus métastatique en favorisant l’adhésion et la migration cellulaires. Ces processus ayant été démontrés dépendants de la signalisation de HER2 à travers son interaction à GRB2, nous avons caractérisé cette association plus en détail. Nous avons démontré que l’association de MPZL1 phosphorylée à GRB2 nécessite la phosphatase PTPN11 et le domaine SH2 de GRB2. Nous avons démontré que la fibronectine induit la nucléation du complexe et le recrutement membranaire de GRB2. En conclusion, nous avons identifié un nouveau complexe signalétique potentiellement impliqué dans l’adhésion cellulaire à la matrice. Nous postulons que ce complexe, ainsi que de nouvelles associations de GRB2 identifiées par nos travaux, puissent participer au processus métastatique induit par HER2, et ainsi puissent constituer de nouvelles cibles thérapeutiques intéressantes. / GRB2 is an adaptor protein involved in receptor tyrosine kinase (RTK) signaling. By interacting with a wide variety of RTKs as well as cytoplasmic effectors, GRB2 controls the specificity and diversity of cellular responses. GRB2 was shown to be crucial for HER2 RTK downstream signaling to regulate HER2-driven oncogenesis. HER2 is overexpressed in 15-20% of breast tumors (HER2+), and its overexpression is associated with a poor prognosis. Since GRB2 binding to different combinations of receptors and targets regulate downstream cell response, we hypothesized that GRB2 interaction network in a HER2 overexpression context would show new complexes promoting HER2-driven tumour progression. Thus, we sought to identify the GRB2-centered protein interaction network in different HER2+ breast cancer (BCa) models using affinity purifications followed by mass spectrometry analysis of the binding proteins. We identified 35 GRB2 binding partners in human HER2+ BCa cells, including both known (PTPN11) and novel interactors. In fact, 5 GRB2 interactors validated in our study were not previously described in the literature. Furthermore, we showed for the first time that GRB2-dependent signaling networks are modified in HER2+ BCa progression. Indeed, we identified 62 GRB2 binding partners in two tumour progression models, of which 18 were specific to tumour progression since they were not identified in the control conditions. Among these, 6 were not previously reported in the literature. One of the newly identified binding partner of GRB2, MPZL1, is a membrane glycoprotein involved in the metastatic process by promoting cell adhesion and migration on extracellular matrix. As these functions were shown to depend on HER2 signaling through GRB2, we sought to characterize the association further. We showed that MPZL1 interaction with GRB2 requires the glycoprotein phosphorylation, its association to phosphatase PTPN11 as well as the adaptor SH2 domain. Finally, we showed that fibronectin can trigger this complex association and GRB2 membrane recruitment. In conclusion, we identified a new signaling complex in HER2+ BCa that is likely involved in the control of cell adhesion and migration. Thus, we postulate that this complex, as well as other newly identified GRB2 associations, could promote HER2–driven oncogenesis and as such may represent interesting potential drug targets for HER2+ BCa.

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Le rôle de la génétique est reconnu en tant que facteur de développement de la parodontite et pourrait expliquer certaines disparités dans la prévalence au sein des populations. Étant une maladie inflammatoire, la parodontite implique des voies de signalisation, dont celle de TLR4/MyD88, menant à la production de cytokines et ultimement à la destruction parodontale. Cette étude s'est penchée sur l'association entre les variations génétiques de la voie de signalisation TLR4/MyD88 et le développement de la parodontite chez une population d'origine québécoise. Un total de 146 participants dont 58 avec parodontite et 88 sans parodontite ont été inclus. Les participants ne devaient pas avoir reçu de traitement parodontal préalablement et ne devaient pas présenter de maladies systémiques contribuant au développement de la maladie. Trois mL de salive étaient récoltés initialement pour les 2 groupes, ainsi que 3 mL après la thérapie initiale pour le groupe avec parodontite. L'ADN était extrait des échantillons pour génotypage. Une quantification de TNF-α était réalisée. Nos résultats ne montrent pas de différence significative dans la distribution des polymorphismes génétiques de la voie de signalisation de TLR4/MyD88 et leur association avec le développement de la parodontite. En comparant spécifiquement les participants < 52 ans et ceux ≥ 52 ans, le génotype C en position rs5030416 (TRAF6) chez les plus jeunes (C : OR = 3,0 (95% CI : 8,944-1,006) ; ρ = 0,0341) et le génotype A en position rs5030472 (TRAF6) chez les plus vieux (A : OR = 4,83 (95% CI : 22,464-1,040) ; ρ = 0,0431) ont montré une susceptibilité accrue à la parodontite. Chez les femmes, une association significative entre le polymorphisme de rs8177374 (MyD88) et le développement de la maladie a été observée (AG : OR = 2,8333 (95% CI : 8,087-0,993) ; ρ = 0,0335). Du côté des hommes, cette association avec rs8177374 était tout aussi significative, mais inversée (AG : OR = 0,2614 (95% CI : 0,761-0,0898) ; ρ = 0,0146). Les concentrations de TNF-α ont également révélés une différence significative, avec une plus grande réduction post-thérapie pour les participants exprimant le génotype CT en position rs2770150 (TLR4) (ρ = 0,049). Certains génotypes de la voie de signalisation de TLR4/MyD88 semblent donc moduler la prévalence de la maladie et l'expression cytokinique salivaire post-thérapie. Le nombre limité de participants doit être considéré dans l'interprétation de ces résultats.

La cellule utilise des nœuds d’interactions protéiques relativement stables, conservés et souvent constitués d’adaptateurs moléculaires pour gérer des signaux reçus (synthèse, sécrétion, traffic, métabolisme, division), des problèmes de sécurité et de niveaux d’énergie. Nos résultats montrent que la cellule utilise aussi des nœuds relativement petits et dynamiques où des informations propres concernant des voies métaboliques apparemment indépendantes sont évaluées. Ces informations y sont intégrées localement et une décision y est prise pour action immédiate. Cette idée est supportée par notre étude sur le récepteur de l’insuline (RI). Ce récepteur transmembranaire à activité tyrosine kinase reconnaît un signal externe (insuline circulante) et engage la signalisation de l’insuline, les réponses métaboliques et le contrôle du glucose circulant. Le RI est aussi impliqué dans l’internalisation de l’insuline et sa dégradation dans les endosomes (clairance). Il régule donc indirectement la sécrétion de l’insuline par les cellules du pancréas endocrine. La signification pathophysiologique de l’endocytose du RI ainsi que les bases moléculaires d’une telle coordination sont peu connues. Nous avons construit un réseau d’interactions du RI (IRGEN) à partir d’un protéome de fractions Golgi-endosomales (G/E) hépatiques. Nous démontrons une forte hétérogénéité fonctionnelle autour du RI avec la présence des protéines ATIC, PTPLAD1, AMPKα et ANXA2. ANXA2 est une protéine impliquée dans la biogénèse et le transport endosomal. Nos résultats identifient un site de SUMOylation régulé par l’insuline dans sa région N-terminale. ATIC est une enzyme de la voie de synthèse des purines de novo dont le substrat AICAR est un activateur de l’AMPKα. Des analyses biochimiques in vitro et in vivo nous montrent que ATIC favorise la tyrosine phosphorylation du RI par opposition fonctionnelle à PTPLAD1. Une délétion partielle d’ATIC stimule l’activation de l’AMPK dont la sous-unité AMPKα2 apparaît déterminante pour le trafic du RI. Nous démontrons que ATIC, PTPLAD1, AMPKα, AICAR et ANXA2 contrôlent l’endocytose du RI à travers le cytosquelette d’actine et le réseau de microtubules. Nous ressortons un nœud de signalisation (ATIC, PTPLAD1, AMPKα) capable de détecter les niveaux d’activation du RI, d’énergie cellulaires (rapports AMP/ATP) et aussi d’agir sur la signalisation et l’endocytose du RI. Cette proximité moléculaire expliquerait le débat sur le mécanisme primaire du diabète de type 2 (DT2), notamment entre la sensibilité à l’insuline et sa clairance. Nous avons calculé un enrichissement de 61% de variants communs du DT2 parmi les protéines fonctionnellement proches du RI incluant RI, ATIC, AMPKα, KIF5A et GLUT2. Cet enrichissement suggère que l’hétérogénéité génétique révélée par les consortiums sur études génomiques (GWAS) converge vers des mécanismes peu étudiés de biologie cellulaire. / The normal cell deals efficiently with multiple signals, processes (synthesis, secretion, trafficking, metabolism, and division), and energy and security problems. To achieve these goals, the cell uses large and relatively stable proteins nodes (or hubs) often sustained by adapters. It appears that the cell also uses small, dynamics nodes where informations about apparently unconnected major pathways are evaluated. Not only these informations are locally integrated but also a decision is made for immediate action. This is exemplified here by the insulin receptor (IR). This receptor-tyrosine kinase recognizes signals from the outside (circulating insulin) and engages insulin signalling activity and the insulin response. Quite simultaneously, the insulin receptor is involved in insulin internalization and its subsequent degradation in endosomes (clearance of circulating insulin) and thus, it indirectly regulates insulin secretion by the -cells of the endocrine pancreas. The physiological significance of trafficking and the molecular bases of such coordination have received little attention. We constructed hepatic Golgi/endosomes (G/E) network of the internalized IR (IRGEN) and we found substantial heterogeneity within the close environment of IR, with the presence of ATIC, a metabolic enzyme of the de novo purine synthesis pathway, the putative tyrosine phosphatase PTPLAD1, the energy sensor AMPK and ANXA2, a protein involved in endosomes biogenesis and endosomal transport. Our results show that ANXA2 is SUMOylated on an insulin-dependent way at a non-concensus motif of its N-terminal domain. It appears that following insulin stimulation, the proteins ATIC, PTPLAD1, AMPKα associate within seconds with the activated IR and control its tyrosine kinase activity and traffic. We found that PTPLAD1 and AMPKα are rapidly compartmentalised within the plasma membrane (PM) and G/E fractions after insulin stimulation and that ATIC accumulates in the G/E fraction later. By using an in vitro reconstitution system and siRNA–mediated partial knockdown of ATIC and PTPLAD1 in HEK293 cells, we confirmed that ATIC, PTPLAD1 and AMPKα affect IR tyrosine phosphorylation and endocytosis and treatment with AICAR, increased IR endocytosis in cultured cells and in the liver. These results suggest the presence of a new signalling mechanism that senses in the same time adenylate synthesis, cell energy (ATP) and IR activation states and that acts consequently in regulating IR autophosphorylation and endocytosis. The IRGEN may explain the perceived promiscuity that exists between insulin resistance and clearance, as this new signalling node apparently controls both the IR activity and trafficking. The elevated number of common heritable variants associated with type 2 diabetes (T2D) in the actual IRGEN (more than 61 %) favours the idea that the confusing genetic heterogeneity converges however towards few biological mechanisms.

Plusieurs réponses cellulaires aux stimuli extracellulaires sont transmises par des voies de signalisation qui agissent en aval de récepteurs membranaires tels les récepteurs tyrosine kinase (RTK). Les signaux provenant des RTK sont souvent relayés via des protéines adaptatrices comme NCK1 (Non-Catalytic region of tyrosine Kinase 1) et NCK2 dont les fonctions sont considérées redondantes et indissociables. Toutefois, certaines études suggèrent que chacune de ces deux protéines pourraient avoir des cibles cellulaires spécifiques et des fonctions uniques. L’objectif de mon projet de doctorat était d’analyser la spécificité des protéines NCK1/2, c’est-à-dire d’identifier pour chacune des cibles uniques, pour ensuite caractériser ce qui génère cette spécificité tout en définissant la fonction de ces interactions. En premier lieu, j’ai utilisé deux techniques complémentaires de protéomique, soit (i) des purifications d’affinité (AP) et (ii) du marquage de proximité in vivo (BioID) suivies d’analyses en spectrométrie de masse (MS) afin de caractériser les interactomes respectifs de NCK1/2. La combinaison de ces deux approches m’a permis d’identifier plus d’une centaine d’interactions spécifiques pour chaque NCK. Des analyses bio-informatiques basées sur ces résultats m’ont permises de mettre en évidence que NCK2 semble plus spécifiquement impliquée que NCK1 dans la régulation de l’organisation du cytosquelette d’actine, structure essentielle lors de la division et de la cytokinèse. En comparant simultanément des cellules fibroblastiques murines (MEF) déplétées soit pour NCK1, soit pour NCK2, j’ai remarqué que les cellules Nck2-/-, à l’inverse des cellules Nck1-/- étaient plus multinucléées et présentent un midbody altéré en longueur. Également, j’ai remarqué une altération dans la composition du midbody des cellules Nck2-/- tel que suggéré par l’absence dans cette structure des protéines Polo-like kinase1 (PLK1), Epithelial cell transforming 2 (ECT2) ou encore Aurora B (AURKB), régulateurs clefs de la cytokinèse. Finalement, j’ai montré que la fonction de NCK2 durant la cytokinèse repose principalement sur son domaine SH2. Dans un deuxième temps, j’ai sélectionné 27 partenaires identifiés en MS et confirmé par une méthode orthogonale leurs interactions respectives avec NCK1 et/ou NCK2. Grâce à des tests de liaison in vitro, j’ai déterminé que plusieurs protéines dont la Plakophiline 4 (PKP4), un régulateur de la cytokinèse, lient directement et spécifiquement NCK2. Par différentes expériences in vitro, j’ai pu déterminer que NCK2 lie les portions N-terminale et centrale de PKP4 grâce à son domaine Src Homology (SH) 2 et que la spécificité de NCK2 envers PKP4 ne semble pas dépendre seulement des propriétés intrinsèques du SH2. L’association résulte plutôt de la combinaison d’une partie ou de l’ensemble des propriétés des domaines et régions interdomaines constituant les protéines NCK1/2. En conclusion, bien que les fonctions de NCK1/2 soient généralement considérées comme redondantes, mes résultats démontrent que ces protéines sont capables de lier des partenaires différentspour réguler des fonctions biologiques distinctes. Ainsi, mes travaux suggèrent que NCK2 semble spécifiquement requise lors du processus de cytokinèse. De plus, l’ensemble de mes expériences in vitro apporte une première idée du mécanisme de spécificité des protéines NCK1/2 en suggérant que leur spécificité ne semble pas entièrement provenir des propriétés intrinsèques de leurs domaines individuels, mais plutôt d’une combinaison des propriétés de leurs domaines et/ou régions interdomaines respectives. / Signals from cell surface receptors are often relayed via adaptor proteins that can serve as hubs to recruit appropriate target signaling molecules and guide signals along specific pathways. Among these, adaptor proteins NCK1 (Non-Catalytic region of tyrosine Kinase 1) and NCK2 have functions that are often considered redundant and/or indistinguishable. The main goal of my work was to demonstrate that NCK1 and NCK2 are not fully redundant and may each display functional specificity. To achieve this, I delineated NCK1-and NCK2-specific signalling networks, identified for each unique target, then characterized what generates this specificity and obtained the function of these interactions. First, to identify the complement of interaction partners for NCK1 and NCK2, I used two unbiased mass spectrometry (MS)-based approaches: (i) epitope-tagged protein affinity purification (AP) followed by MS analysis and (ii) in vivo proximity labelling (BioID). The combination of these two approaches allowed me to identify more than one hundred specific interactions for each NCK. Bioinformatics analyzes based on the specific partners identified in MS enabled me to highlight that NCK2 was more specifically involved in the regulation of the actin cytoskeleton organization, structure essential for cell division and cytokinesis. By simultaneously comparing mouse embryo fibroblasts (MEF) depleted either for NCK1 or NCK2, I noticed that Nck2-/-, but not Nck1-/-cells are multi-nucleated and display extended protrusions reminiscent of intercellular bridges, which correlate with an extended time spent in cytokinesis as well as a failure of a significant proportion of cells to complete abscission. Further analysis of this phenotype revealed that the midbody of NCK2-deficient cells is not only increased in length, but also altered in composition, as judged by the mislocalization of the Polo-like kinase 1 (PLK1), Epithelial cell transforming 2 (ECT2) and Aurora B (AURKB) proteins. Moreover, I showed that NCK2 function during cytokinesis requires its SH2 domain. Second, to underline the molecular mechanism of specific protein complex formation, I selected based on my MS results 27 partners to confirm by an orthogonal method their respective interactions with NCK1 and/or NCK2. By using in vitro binding assays, I was able to determine that several proteins including Plakophilin 4(PKP4), a key regulator of the cytokinesis process, were able to bind directly and specifically to NCK2. Through various in vitro experiments, I was able to determine that NCK2 binds the N-terminal and central portions of PKP4 through its SH2 domain and that the specificity of PKP4 toward NCK2 does not appear to result from the intrinsic properties of its SH2 alone. This association seems to result from the combination of some or all of the properties of the individual domains and inter-regions constituting the NCK1/2 proteins. In conclusion, despite what is generally accepted, I showed that both NCK1 and NCK2 may form specific protein complexes, thus reflecting the functional specificity of these two adaptor proteins. I further demonstrated that NCK1 and NCK2 are not completely redundant. I also shed light on a previously uncharacterized function for the NCK2 adaptor protein in cell division. Finally, my in vitro experiments provide an explanation for the specificity mechanism of NCK1/2 adaptor proteins by suggesting that their specificity come from the combination of the properties of their respective domains and/or interdomain regions.