Univ., Diss.--Münster (Westfalen), 2005. / Zusfassung in dt. Sprache.

Univ., Diss.--Regensburg, 1996.

Le cytosquelette microtubulaire est une des cibles majeures en thérapie anticancéreuse. La caractérisation des isoformes d'une protéine est une problématique complexe en analyse protéomique. Pourtant il est crucial de mettre en évidence les variations de séquence primaire et les modifications post-traductionnelles qui peuvent dans certains cas être corrélées avec un phénomène physiologique et dans d'autres avec un état pathologique. Ainsi, la surexpression de l'isotype βIII de la tubuline, protéine constitutive des microtubules, peut avoir des conséquences importantes sur la régulation des propriétés dynamiques des microtubules et donc sur la réponse des tumeurs aux agents anticancéreux. Chaque isotype de tubuline se distingue principalement par les derniers acides aminés composant leur extrémité C-terminale. L'analyse top-down par MALDI-ISD est une approche de choix pour la caractérisation des isotypes de tubuline dont βIII. De plus, les propriétés spécifiques de fragmentation de cette protéine rendent possible son étude in situ sur coupes de tissue. Le choix de la matrice ainsi qu'une connaissance de la séquence primaire des protéines sont des paramètres importants lors des analyses MALDI-ISD. Une protéine telle qu'EB1, présentant une forte homologie de séquence C-terminale avec l'isotype α1B de la tubuline, est un candidat intéressant pour ce type d'approche. Cette protéine associée aux microtubules est le centre d'un réseau protéique régulant la dynamique des microtubules tel que dans le cas de l'angiogenèse tumorale. L'interaction entre EB1 et les protéines à domaine CAP-Gly se réalise par l'intermédiaire de son motif C-terminal -EEY où la tyrosine semble en être l'élément régulateur. La mise au point d'une approche de protéomique d'affinité pour l'identification et la quantification par spectrométrie de masse des complexe interagissant avec EB1 semble donc être un prérequis pour l'élaboration de nouveaux composés inhibant ce type d'interaction dans des contextes biologiques précis. / Microtubule is one of the major targets in cancer therapy. Protein isoforms characterization is a complex issue in proteomic analysis. Yet is is crucial to highlight primary sequence variations and posttranslational modifications that are associated with physiological processes or pathologies. Thus overexpression of βIII-tubulin isotype, protein that make up microtubules, can have consequences on the regulation of microtubules dynamic properties and therefore tumors response to anticancer agents. Each tubulin isotype is distinguished by the last amino acids of their C-terminus. MALDI-ISD top-down analysis is of interest for tubulin isotypes characterization as βIII. In addition, specific fragmentation properties of this protein make possible its in situ study on tissue sections. Matrix choice and knowledge of proteins primary sequence are important parameters for MALDI-ISD experiments. As protein such as EB1, that presents high sequence homology with α1B-tubulin isotype C-terminus, is an interesting candidate for this kind of approach. This microtubule associated protein is the core of a protein netword that regulates microtubule dynamics such as in the cas of tumor angiogenesis. The interaction between EB1 and proteins with CAP-Gly domain is realized through its C-terminal motif -EEY and tyrosine seems to be the regulatory element. The development of an approach by proteomics affinity for the identification and the quantification by mass spectrometry of complex interacting with EB1 appears to be a prerequisite for the development of new compounds that inhibit this peculiar mode of protein-protein interaction in specific biological contexts.

Les kinésines sont des protéines moteur liées au cytosquelette de microtubules. Elles convertissent l’énergie provenant de l’hydrolyse de l’ATP en un travail mécanique. Leur fonction typique est de se déplacer le long du microtubule pour véhiculer des charges. La plupart des kinésines sont des dimères. Elles comprennent un domaine moteur, qui porte à la fois les sites de liaison du nucléotide et du microtubule, un domaine intermédiaire de dimérisation et une partie dite « queue » qui confère la spécificité des charges à transporter. Mon objectif est d’établir le mécanisme moléculaire à la base de la motilité, avec un intérêt particulier pour la détermination des variations structurales du domaine moteur de la kinésine le long de son cycle mécano-chimique. Au cours de ma thèse, mon objet d’étude principal a été la kinésine-1 humaine, encore appelée kinésine conventionnelle.J’ai étudié plus particulièrement deux aspects du cycle mécano-chimique de la kinésine-1, en combinant des approches de biologie structurale et l’étude de mutants. Les deux aspects concernent l’étude de la fixation de la kinésine-ADP au microtubule, conduisant à l’éjection du nucléotide et à une liaison forte de la kinésine au microtubule. Dans un premier temps, j’ai déterminé la structure du domaine moteur de la kinésine-1, dépourvue de nucléotide, et sous forme d’un complexe avec la tubuline. La tubuline est la protéine constitutive des microtubules. Cette structure était la donnée principale qui nous manquait dans le cycle structural de la kinésine. En comparant cette structure avec celle de la kinésine dans un état ATP, on peut rendre compte des changements de conformation de la kinésine selon le mouvement de trois sous-domaines du domaine moteur. Cette analyse explique notamment le lien entre la fixation de l’ATP et l’ouverture d’une poche hydrophobe distante de 28 Å du site du nucléotide. Cette cavité va accommoder le premier résidu du neck linker, conduisant à la stabilisation de ce peptide situé en partie C-terminale du domaine moteur. En s’ordonnant, le neck linker va faire avancer la charge ainsi que l’autre domaine moteur de la kinésine dimérique. Il lie ainsi la fixation de l’ATP au mouvement. L’étude de l’effet de mutations du neck linker montre aussi comment, réciproquement, le neck linker bloque la kinésine dans la conformation active pour l’hydrolyse de l’ATP. Ceci diminue la probabilité que l’ATP soit hydrolysé avant que l’étape mécanique se soit produite; cet aspect est essentiel pour rendre compte de la processivité de la kinésine-1.Ces données structurales suggèrent également comment la fixation de la kinésine-ADP au microtubule accélère l’éjection de l’ADP. Pour étudier cet aspect plus en détail, j’ai étudié l’effet de mutations sur la vitesse de largage de l’ADP. L’idée était de mimer à l’aide de mutations la fixation au microtubule. J’ai identifié ainsi deux séries de mutants qui présentent une vitesse accélérée de largage spontané de l’ADP, ce qui suggère deux voies pour interférer avec la fixation du nucléotide. J’ai ensuite déterminé la structure de deux de ces mutants dépourvus de nucléotide, ainsi que celle de la kinésine de départ également dans une forme apo, obtenue par digestion de l’ADP. En absence de microtubule, la kinésine dépourvue de nucléotide adopte une conformation soit à l’image de celle de la kinésine-ADP, ou proche de celle de la kinésine-apo liée à la tubuline. Dans un contexte naturel, seule la deuxième conformation est compatible avec la fixation au microtubule. L’ensemble de ces résultats suggère que le microtubule accélère l’éjection du nucléotide par un double mécanisme : en interférant avec la liaison du magnésium et en déstabilisant le motif P-loop de liaison du nucléotide. / Kinesins are a family of microtubule-interacting motor proteins that convert the chemical energy from ATP hydrolysis into mechanical work. Many kinesins are motile, walking along microtubules to fulfill different functions. Most kinesins are dimers, the monomer comprising a motor domain, a dimerizing stalk domain, and a tail domain. The motor domain contains both the nucleotide-binding site and the microtubule-binding site. I am interested in the molecular mechanism of kinesin's motility. In particular I want to establish the structural variations of the kinesin motor domain along with the mechanochemical cycle of this motor protein. During my thesis, I have focused my work on the human kinesin-1, also named conventional kinesin, which is the best characterized kinesin.I have studied two aspects of the kinesin mechanochemical cycle, by combining structural and mutational approaches. Both aspects rely on the binding of ADP-kinesin to a microtubule, which leads to the release of the nucleotide and to a tight kinesin-microtubule association. First I determined the crystal structure of nucleotide-free kinesin-1 motor domain in complex with a tubulin heterodimer, which is the building block of microtubule. This structure represented the main missing piece of the structural cycle of kinesin. Three subdomains in the kinesin motor domain can be identified through the comparison of my structure with ATP-analog kinesin-1-tubulin structure. The relative movements of these subdomains explain how ATP binding to apo-kinesin bound to microtubule triggers the opening of a hydrophobic cavity, 28 Å distant from the nucleotide-binding site. This cavity accommodates the first residue of the “neck linker”, a short peptide that is C-terminal to the motor domain, allowing the neck linker to dock on the motor domain. The docking of the neck linker is proposed to trigger the mechanical step, i.e. the displacement of the cargo and the stepping of the dimeric kinesin. By studying mutants of the neck linker, I have shown that, reciprocally, this peptide locks kinesin in the ATP state, which is also the conformation efficient for ATP hydrolysis. Doing so, it prevents the motor domain from switching back to the apo-state. It prevents also an untimely hydrolysis of ATP, before the mechanical step has occurred. These features are required for movement and processivity.Second, these structural data also suggest how the binding of ADP-kinesin to tubulin enhances nucleotide release from kinesin. To further study this step of the kinesin cycle, I studied the effect of kinesin-1 mutations. These mutations were designed in isolated kinesin to mimic the state when kinesin is bound to a microtubule. I identified two groups of mutations leading to a high spontaneous ADP dissociation rate, suggesting that there are two ways to interfere with ADP binding. Then I determined the crystal structures of the apo form of two mutants as well as that of the nucleotide-depleted wild type kinesin. It showed that apo-kinesin adopts either and ADP-like conformation or a tubulin-bound apo-like one. In the natural context, the second one is stabilized upon microtubule binding. Overall, the mutational and structural data suggest that microtubules accelerate ADP dissociation in kinesin by two main paths, by interfering with magnesium binding and by destabilizing the nucleotide-binding P-loop motif.

Les microtubules sont des composants hautement dynamiques du cytosquelette. La tubuline gamma est localisée au centrosome. Elle y forme le complexe de nucléation des microtubules, le gamma-TuRC, en association avec les protéines GCPs 2-6. Les GCPs 2-6 forment une famille de protéines caractérisée par deux domaines conservés appelés GRIP1 et 2. De par sa structure, le gamma-TuRC sert de moule pour la nucléation des microtubules. Le gamma-TuRC est constitué de plusieurs sous-complexes : les gamma-TuSCs qui sont composés d'une GCP2 et d'une GCP3 qui interagissent entre elle par leur domaine amino-terminal, chacune liant une tubuline gamma via leur domaine carboxy-terminal. Les gamma-TuSCs s'assemblent latéralement pour former une structure à un tour d'hélice, les deux extrémités de l'hélice se recouvrant. La structure atomique de GCP4 s'intègre particulièrement bien dans structure du gamma-TuSC de levure, obtenue en microscopie électronique, à la place de GCP2 et 3 suggérant une forte conservation structurale entre les GCPs. GCP4, 5 et 6 pourraient donc être partie intégrante de l'hélice. Durant ma thèse j'ai étudié la position relative des GCP4, 5 et 6 au sein du gamma-TuRC. Pour cela j'ai développé des approches d'échange de domaines et de mutagénèse. J'ai également mis en place des stratégies de FLIM-FRET et d'immunoprécipitation. J'ai ainsi montré que c'est le domaine N-terminal des GCPs qui définit leur identité, les domaines C-terminaux étant échangeables. J'ai également mis en évidence, au sein du gamma-TuRC, des interactions latérales entre GCP4 et GCP5 semblables à celles établies par GCP2 et GCP3 dans les gamma-TuSC. J'ai également pu isoler un complexe contenant GCP4, 5, 6 et la tubuline gamma indépendamment du gamma-TuRC. J'apporte ainsi les premières preuves expérimentales soutenant l'idée que GCP4, 5 et 6 sont partie intégrante de l'hélice du gamma-TuRC et qu'elles y forment un sous complexe qui occupe une position bien définie. / Microtubules are highly dynamic components of the cytoskeleton. gammatubulin is found at the centrosome where it forms a microtubule nucleation complex together with GCPs 2-6, the gamma-TuRC. GCPs 2-6 form a conserved family of proteins characterised by two conserved domains called GRIP1 and 2. The gamma-TuRC functions as a structural template for microtubule nucleation. The gamma-TuRC is composed of smaller subcomplexes called gamma-TuSC. Each gamma-TuSC is composed by one GCP2, one GCP3 and two gamma?tubulins. GCP2 and GCP3 interact via their N-terminal domain and bind gamma tubulin through their C-terminal domain. Several gamma-TuSCs can assemble laterally to form a one-turn helix with the two ends overlapping. The atomic structure of GCP4 fits almost perfectly in the place of GCP2 and GCP3 within the gamma-TuSC envelope obtained by electron microscopy suggesting a strong structural conservation among GCPs. Hence, GCP4, 5 and 6 may be part of the helix. During the course of my thesis, I studied the relative position of GCPs 4, 5, 6 within the gamma-TuRC. To this aim, I developed a domain swapping and mutagenesis approaches. I also combined FLIM-FRET and immunoprecipitation strategies. I have been able to show that the N-terminal domains of GCPs define their identity while the C-terminal domains can be swapped. My results also indicate that GCP4 and GCP5 establish gamma-TuSC like interactions within the gamma-TuRC. I also isolated a complex containing GCP4, 5, 6 and gamma tubulin independently of the gamma-TuRC. My thesis provides the first experimental evidence supporting the model where GCP4, 5 and 6 are part of the gamma-TuRC helix where they form a sub-complex localised at a defined position.

L’hypoxie est une caractéristique majeure des glioblastomes (GB). Elle est la cause principale de la résistance aux traitements observée dans ces tumeurs. Les conséquences de la baisse en oxygène au niveau tumoral, sont médiées par les facteurs de transcription Hypoxia Inducible Factors (HIF). Ces facteurs sont des protéines hétérodimériques HIF-α/HIF-1β responsables de la transcription de nombreux gènes cibles. Certaines de ces cibles participent à la progression tumorale et à la mise en place d’un phénotype agressif. L’une des cibles de l’isoforme HIF-2α, est la βIII-tubuline (βIII-t). Cette protéine, qui compose les microtubules, est décrite comme surexprimée dans les gliomes de haut grade, comme les GB. Ces travaux de thèse s’intéressent au rôle de la βIII-t dans la progression tumorale ainsi qu’au développement de stratégies permettant d’inhiber l’expression de HIF-2α. Les résultats obtenus montrent que la βIII-t a une importance centrale dans le développement tumoral. En effet, les tumeurs issues de l’implantation de cellules humaines de GB invalidées pour la βIII-t, se développent significativement moins vite comparées aux tumeurs contrôles. In vitro, nous avons montré que cette protéine est impliquée dans la prolifération, la migration et l’invasion cellulaires. En revanche, nous n’avons pas pu confirmer que la βIII-t est impliquée dans la résistance aux traitements (chimio- ou radiothérapeutiques). Les deux composés testés comme inhibiteurs de HIF-2α (SR2933 et PT2385) ont montré des résultats prometteurs sur la βIII-t, gène cible spécifique de HIF-2α. Cependant, malgré les stratégies développées, nous n’avons pas pu évaluer l’efficacité directe de ces deux composés sur l’hétérodimérisation de HIF-2α avec HIF-1β. / Hypoxia is a major feature of glioblastoma (GB). It is the main cause of the resistance to treatments observed in these tumors. The consequences of the decrease in oxygen at the tumor level, is mediated by the Hypoxia Inducible Factors (HIF). These transcription factors are heterodimeric proteins HIF-α/HIF-1β responsible for the transcription of many target genes. Some of these targets are responsible for setting up an aggressive phenotype and in tumor progression. One of the targets of the HIF-2α isoform is βIII-tubulin (βIII-t). This protein, which is a constituent of microtubules, is described as overexpressed in high grade gliomas, such as GB. In the present thesis, we examined the role of βIII-t in tumor progression and we developed strategies to inhibit the expression of HIF-2α. Our results show that βIII-t is of central importance in tumor development. Indeed, tumors resulting from the implantation of GB human cells invalidated for βIII-t, developed significantly less rapidly compared to control tumors. In vitro, we have shown that this protein is involved in cell proliferation, migration and invasion. However, we could not confirm that βIII-t is involved in resistance to treatments (chemotherapeutic or radiotherapeutic).The two compounds tested as inhibitors of HIF-2α (SR2933 and PT2385) showed promising results on βIII-t, a specific target gene of HIF-2α. However, despite the different tested strategies, we could not evaluate the direct inhibitory action of these two compounds on the heterodimerization of HIF-2α with HIF-1β.

Le travail de cette thèse s’est articulé autour de l’étude de CRMP5 au cours du développement du système nerveux central. Nous avons mis en évidence une interaction directe entre CRMP5 et la tubuline, conduisant à une inhibition de la pousse neuritique dans différentes lignées cellulaires, ainsi qu’à une inhibition d’élongation uniquement au niveau des dendrites et non de l’axone, dans des cultures primaires de neurones de l’hippocampe. De plus, nous avons montré que CRMP5 pouvait annuler l’action de CRMP2, connue pour promouvoir la pousse neuritique, de façon dominante mais dépendante de la présence sur CRMP5 du site de fixation à la tubuline. Contrairement à CRMP2, l’expression de CRMP5 étant transitoire pendant la différentiation neuronale, elle permettrait de restreindre de façon spatio-temporelle l’effet de CRMP2 sur la pousse neuritique, régulant ainsi la polarité neuronale. D’autre part, nous avons également rapporté la présence de CRMP5 au niveau mitochondrial où elle pourrait jouer un rôle dans le processus d’autophagie des mitochondries. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’étude de la CRMP5 exprimée en conditions pathologiques, et nous avons observé une nouvelle localisation nucléaire de la protéine dans certaines cellules cancéreuses. Etant localisée dans plusieurs compartiments subcellulaires et impliquée dans différents mécanismes moléculaires, l’ensemble de ce travail décrit donc la protéine CRMP5 comme une protéine « multi-fonctionnelle ». / The purpose of this work is to focus on the study of CRMP5 during development of the central nervous system. We have demonstrated a direct interaction between CRMP5 and tubulin, leading to inhibition of neurite outgrowth in different cell lines, and inhibition of growth only at dendritic but not axonal level, in hippocampal neurons. Furthermore, we showed that CRMP5 could counteract the previously described CRMP2 effect on neurite outgrowth. The CRMP5 acted as a dominant signal to counteract CRMP2 outgrowth promotion and this function is also dependent on the tubulin-binding capacity of CRMP5.Unlike CRMP2, the CRMP5 expression being transient during neuronal differentiation, it would imply in the spatiotemporal regulation of the CRMP2 effect on neurite outgrowth, thereby regulating neuronal polarity. In another part, we also reported the presence of CRMP5 at mitochondrial level in vivo where it could play a role in mitochondrial autophagic process.Finally, we were interested in the study of CRMP5 expressed in pathological conditions, and we discovered a new nuclear localization of the protein in some cancer cells. Being localizedin several subcellular compartments and involved in different molecular mechanisms, this work describes CRMP5 as a "multi-functional" protein.

Au-delà de sa présence sur les microtubules stables, l'acétylation de l’-tubuline peut être augmentée après exposition des cellules aux UV ou après une carence en nutriments, phénomène que l’on appelle « hyperacétylation ». Cependant, le mécanisme d’induction de cette hyperacétylation est encore inconnu. Dans cette étude, nous montrons que l’hyperacétylation de la tubuline est une réponse générale aux stress cellulaire, et nous avons cherché à caractériser cette réponse, à identifier la voie de signalisation activée par le stress et conduisant à cette réponse, et à étudier la signification biologique de ce phénomène rapide et réversible. Nous avons trouvé que MEC-17/-TAT1, l’acétyltransférease majeure de l’ tubuline, est une enzyme nécessaire à l’induction de l’hyperacétylation en réponse aux stress, et qu'elle est régulée, à l’état basal par une autre acétyltransférase appelée p300. Au cours du stress, nous montrons que l'augmentation de la production des espèces réactives de l'oxygène (ROS), conduit à l'activation de la kinase « AMP-activated protein kinase (AMPK) », qui, à son tour provoque la phosphorylation de MEC-17, et probablement son activation. Enfin, nous montrons que l’hyperacétylation de la tubuline induite par le stress, participe à la survie des cellules dans des conditions de stress et à l'induction de l'autophagie de survie. / Beyond its presence in stable microtubules, -tubulin acetylation can be boosted after UV exposure or after nutrient deprivation but the mechanisms of this hyperacetylation are still unknown. In this study, we show that tubulin hyperacetylation is a general cell stress response, and aimed to characterize this response, to identify the stress-activated signaling pathway leading to its induction and the biological significance of this rapid and reversible phenomenon. We found that the major tubulin acetyltransferase MEC-17/-TAT1 is the main enzyme required for mediating tubulin hyperacetylation upon stress, and that it is regulated under normal conditions by the acetyltransferase p300. Upon stress, we show that the increased production of reactive oxygen species (ROS), leads to the activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), which in turn mediates MEC-17 phosphorylation, and probably its subsequent activation. Finally, we show that tubulin hyperacetylation induced upon stress participate in cell survival under stress conditions and in the induction of protective autophagy.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le N-acétylcolchinol est un composé hémi-synthétique connu pour inhiber la polymérisation de la tubuline en microtubules. Il a montré une activité prometteuse en tant qu’agent ciblant la vascularisation tumorale, cependant, sa cardiotoxicité a conduit à l’arrêt des essais cliniques en phase I. Cette thèse porte sur la synthèse et l'évaluation biologique de nouveaux allocolchicinoïdes, composés analogues du N-acétylcolchinol. Dans un premier temps, une nouvelle voie de synthèse permettant l’accès, de façon racémique, au squelette dibenzoxépine de ces molécules a été mise au point. Elle comprend notamment trois étapes clés, un couplage de Suzuki-Miyaura, une addition de Grignard et une cyclodéshydratation effectuée en présence d’un acide de Brønsted. Par la suite, trois séries d’allocolchicinoïdes de structures variées, que ce soit au niveau du cycle médian oxépine ou des substituants présents sur les noyaux benzéniques, ont été synthétisées. L’activité sur tubuline de la plupart de ces molécules a été évaluée, ce qui a conduit à une rationalisation des relations structure-activité. / N-acetylcolchinol is a semi-synthetic inhibitor of the polymerization of tubulin into microtubules, that showed promising activity as vascular-disrupting agent. However, its toxicity evidenced in phase I clinical trials precluded its further development. This thesis describes the synthesis and biological evaluation of new allocolchicinoids, analogues of N-acetylcolchinol.A racemic synthesis of the dibenzoxepine framework of these compounds was first established. A Suzuki-Miyaura coupling, a Grignard addition and a Brønsted acid-mediated cyclodehydration constituted the key steps of the strategy. Then, three different series of dibenzoxepines have been synthesized, which differ by the nature of the substituent on the oxepine medium ring and on phenyl rings. These new dibenzoxepines were tested against the inhibition of microtubule assembly, leading to a structure-activity relationship study.