Replication of HIV-1 requires the assembly and release of mature and infectious viral particles. In order to accomplish this goal, HIV-1 has evolved multiple methods to interact with the host cell. HIV-1 recruits the host cell ESCRT machinery to facilitate the release of nascent viral particles from the host cell membrane. Recruitment of these cellular factors is dependent on the presence of short motifs in Gag referred to as Late-domains. Deletion or mutation of these domains results in substantial decrease in the release of infectious virions. However, previously published work has indicated that over-expression of the E3 ubiquitin ligase, NEDD4.2s is able to robustly rescue release of otherwise budding-defective HIV-1 particles. This rescue is specific to the NEDD4.2s isoform as related E3 ubiquitin ligases display no ability to rescue particle release. In addition, rescue of particle release is dependent on the presence of the partial C2 domain and a catalytically active HECT domain of NEDD4.2s. Here I provide evidence supporting the hypothesis that a partial C2 domain of NEDD4.2s constitutes a Gag interacting module capable of targeting the HECT domains of other E3 ubiquitin ligases to HIV-1 Gag. Also, by generating chimeras between HECT domains shown to form poly-ubiquitin chains linked through either K48 or K63 of ubiquitin, I demonstrate that the ability of NEDD4.2s to catalyze the formation of K63-polyubiquitin chains is required for its stimulation of HIV-1 L-domain mutant particle release. In addition, I present findings from on-going research into the role of the HIV-1 accessory protein Nef during viral replication using the culture T-cell line, MOLT3. My current findings indicate that downregulation of CD4 from the host cell membrane does not solely account for the dramatic dependence of HIV-1 replication on Nef expression in this system. In addition, I present evidence indicating that Nef proteins from diverse HIV-1 Groups and strains are capable of enhancing HIV-1 replication in this system. Analysis of a range of mutations in Nef known to impact interaction with cellular proteins suggest that the observed replication enhancement requires Nef targeting to the host cell membrane and may also require the ability to interact with select Src-kinases. Lastly, we find that the ability of Nef to enhance replication in this system is separate from any increase in viral particle infectivity, in agreement with current literature.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Proteasome assembly is a rapid and highly sequential process that occurs through a series of intermediates. While the quest to understand the exact process of assembly is ongoing, there remains an incomplete understanding of what happens early on during the process, prior to the involvement of the β subunits. A significant feature of proteasome assembly is the property of proteasomal subunits to self-assemble. While archaeal α and β subunits from Thermoplasma acidophilum can assemble into entire 20S units in vitro, certain α subunits from divergent species have a property to self-assemble into single and double heptameric rings. In this study, we have shown that recombinant α subunits from Methanococcus maripaludis also have a tendency to self-assemble into higher order structures when expressed in E. coli. Using a novel cross-linking strategy, we were able to establish that these higher order structures were double α rings that are structurally similar to a half-proteasome (i.e. an α-β ring pair). Our experiments on M. maripaludis α subunits represent the first biochemical evidence for the orientation of rings in an α ring dimer. We also investigated self-assembly of α subunits in S. cerevisiae and attempted to characterize a highly stable and unique high molecular weight complex (HMWC) that is formed upon co-expression of α5, α6, α7 and α1 in E. coli. Using our cross-linking strategy, we were able to show that this complex is a double α ring in which, at the least, one α1 subunit is positioned across itself. We were also able to detect α1-α1 crosslinks in high molecular weight complexes that are formed when α7 and α1 are co-expressed, and when α6, α7 and α1 are co-expressed in E. coli. The fact that we able to observe α1-α1 crosslinks in higher order structures that form whenever α7 and α1 were present suggests that α1-α1 crosslinks might be able to serve as potential trackers to detect HMWCs in vivo. This would be an important step in determining if these HMWCs represent bona fide assembly intermediates, or dead-end complexes whose formation must be prevented in order to ensure efficient proteasome assembly.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Murine double minute (Mdm2) is a highly modified and multi-faceted protein that is overexpressed in numerous human malignancies. It engages in many cellular activities and is essential for development since deletion of mdm2 is lethal in early stages of embryonic development. The most studied function of Mdm2 is as a negative regulator of the tumor suppressor protein p53. Mdm2 achieves this regulation by binding to p53 and inhibiting p53 transcriptional activity. Mdm2 also functions as an E3 ubiquitin ligase that signals p53 for destruction by the proteasome. Interestingly recent evidence has shown that Mdm2 can also function as an E3 neddylating enzyme that can conjugate the ubiquitin-like molecule, nedd8, to p53. This modification results in inhibition of p53 activity, while maintaining p53 protein levels. While the signaling events that regulate Mdm2 E3 ubiquitin ligase activity have been extensively studied, what activates the neddylating activity of Mdm2 has remained elusive. My investigations have centered on understanding whether tyrosine kinase signaling could activate the neddylating activity of Mdm2. I have shown that c-Src, a non-receptor protein tyrosine kinase that is involved in a variety of cellular processes, phosphorylates Mdm2 on tyrosines 281 and 302. This phosphorylation event increases the half-life and neddylating activity of Mdm2 resulting in a neddylation dependent reduction of p53 transcriptional activity. Mdm2 also has many p53-independent cellular functions that are beginning to be linked to its role as an oncogene. There is an emerging role for Mdm2 in tumor metastasis. Metastasis is a process involving tumor cells migrating from a primary site to a distal site and is a major cause of morbidity and mortality in cancer patients. To date, the involvement of Mdm2 in breast cancer metastasis has only been correlative, with no in vivo model to definitively define a role for Mdm2. Here I have shown in vivo that Mdm2 enhances breast to lung metastasis through the up regulation of multiple angiogenic factors, including HIF-1 alpha and VEGF. Taken together my data provide novel insights into important p53-dependent and independent functions of Mdm2 that represent potential new avenues for therapeutic intervention.

La sénescence est un processus caractérisé par un arrêt stable du cycle cellulaire. Ce mécanisme peut être induit en réponse à de nombreux stress, comme l’activation d’un oncogène, le raccourcissement des télomères ou bien le traitement avec des composés génotoxiques. Cette réponse cellulaire est considérée comme une barrière antitumorale limitant la prolifération des cellules exposées au risque de transformation. La mise en place de la sénescence dépend de profonds changements au niveau moléculaire, dont l’activation d’un programme de dégradation sélective des protéines. Cette dégradation de protéines associée à la sénescence (SAPD) peut expliquer plusieurs caractéristiques des cellules sénescentes, notamment la présence de défauts dans la voie de synthèse des ribosomes (SARD). Ces derniers sont liés à un stress nucléolaire qui mène à l’accumulation de certaines protéines ribosomiques dans le noyau, où elles peuvent effectuer des fonctions indépendantes de leur rôle structurale dans les ribosomes. Parmi ces protéines ribosomiques, RPS14/uS11 peut s’accumuler dans le nucléoplasme et réguler le cycle cellulaire en inhibant CDK4. Ces mécanismes de régulation post-traductionnelle -le SAPD ainsi que les conséquences des SARD- contribuent de manière importante au phénotype sénescent. Nous avons émis l’hypothèse que la caractérisation des effecteurs dans ces voies pourrait mener à l’identification de nouvelles protéines importantes pour la sénescence et la suppression tumorale. Dans un premier temps, nous avons évalué le rôle de la protéine ribosomique RPL22/eL22 dans le cycle cellulaire et la sénescence. Tout comme RPS14, RPL22 a été identifié dans l’analyse de l’interactome de CDK4 lors de la sénescence induite par la perte du facteur de la ribogenèse RSL1D1. Nous avons pensé que RPL22 pourrait agir de manière similaire à RPS14 et ainsi effectuer des fonctions extra-ribosomiques impliquées dans la régulation du cycle cellulaire. Dans le premier article présenté dans cette thèse, nous montrons que la surexpression de RPL22 dans des fibroblastes humains induit un phénotype sénescent et que RPL22 peut lier et inhiber CDK4 afin d’activer la voie de RB. Ensemble, ces données indiquent un rôle suppressif de RPL22 dans le cycle cellulaire. En second lieu, nous nous sommes penchés sur la caractérisation des effecteurs du programme de dégradation sélective de protéines associé à la sénescence. Ce programme est mené à terme par le système ubiquitine-protéasome, un mécanisme finement régulé par différents types de protéines. Parmi celles-ci, les E3 ubiquitine ligases définissent la spécificité de ce système en interagissant avec les substrats à dégrader. Nous avons donc pensé que certaines E3 ubiquitine ligases spécifiques pourraient être importantes pour le mécanisme de dégradation protéique associé à la sénescence. Afin d’identifier celles-ci, nous avons effectué un criblage de shARN ciblant des gènes d’E3 ubiquitine ligases dans le contexte de la sénescence induite par les oncogènes. Ceci a mené à l’identification d’ASB14 comme un acteur important de la sénescence. Dans le deuxième article de cette thèse, nous montrons que la perte d’ASB14 produit un contournement de la sénescence induite par l’oncogène RAS dans plusieurs modèles cellulaires. ASB14 est une protéine peu caractérisée et nous avons généré des anticorps afin d’analyser son expression. Nous montrons ensuite qu’ASB14 s’exprime fortement dans le pancréas sain, tandis que ses niveaux diminuent dans les tumeurs pancréatiques. Enfin, nous avons identifié les partenaires d’interaction d’ASB14 dans le contexte de la sénescence induite par l’oncogène RAS. Globalement, les travaux présentés dans cette thèse nous ont permis d’identifier deux nouvelles protéines impliquées dans la sénescence cellulaire : la protéine ribosomique RPL22 et l’E3 ubiquitine ligase ASB14. Ces deux protéines contribuent à la régulation post-traductionnelle du phénotype sénescent. D’un côté, RPL22 peut inhiber l’activité de CDK4 afin d’activer la voie de RB et ainsi réguler le cycle cellulaire. D’une autre part, ASB14 est importante pour le maintien du phénotype sénescent et semble avoir un rôle dans la suppression tumorale du pancréas. Nos résultats suggèrent que RPL22 et ASB14 sont importants pour la sénescence et la suppression tumorale. / Cellular senescence is characterized by a stable cell cycle arrest. This process can be induced by a variety of cellular stresses, including oncogene activation, telomere shortening and genotoxic treatments. In fact, senescence is considered an antitumor barrier that prevents cellular transformation. Senescence is associated with widespread molecular changes, including the activation of a selective protein degradation program. This senescence-associated protein degradation (SAPD) could regulate some senescence-associated phenotypes, including the senescence-associated ribosome biogenesis defects (SARD). Senescence-associated ribosome biogenesis defects are linked to a nuclear accumulation of some ribosomal proteins such as RPS14/uS11 capable of carrying out extra-ribosomal functions. In particular, RPS14 can inhibit CDK4 and mediate senescence. Thus, we hypothesize that the proteins implicated in these pathways -SAPD and SARD- could be important for senescence and tumor suppression. First, we evaluated the ability of the ribosomal protein L22 (RPL22/eL22) to regulate cellular senescence and cell cycle progression. RPL22, as RPS14, was identified as a binding partner for CDK4 in senescent cells induced by depleting the ribosome biogenesis factor RSL1D1. Hence, we though that RPL22 could act in a manner similar to RPS14. In chapter two, we show that RPL22 overexpression induces a senescent phenotype in human fibroblasts. In addition, we show that RPL22 can interact with CDK4 inhibiting its activity and stimulating the RB tumor suppressor pathway. Taken together, these results indicate a suppressive role of RPL22 in cell cycle progression. Next, we focused on the characterization of SAPD effectors. This mechanism is mediated by the ubiquitin-proteasome system which is tightly regulated by E3 ubiquitin ligases. Thus, we thought that specific E3 ubiquitin ligases could be important for SAPD and for senescence. In order to discover E3 ubiquitin ligases that contribute to senescence, we performed an unbiased screening using shRNA libraries in Ras-induced senescent cells. This led to the identification of ASB14 as an important mediator of senescence. In chapter three, we show that ASB14 depletion leads to a bypass of Ras-induced senescence. ASB14 is a poorly characterized E3 ligase, and we generated antibodies in order to analyze its expression levels. We show that ASB14 is highly expressed in the normal pancreas whereas its expression is reduced in pancreatic cancer tissues. Finally, we uncovered the interactome of ASB14 in Ras-induced senescent cells. Overall, we have discovered two new senescence mediators: ribosomal protein L22 and E3 ubiquitin ligase ASB14. These proteins are implicated in the post-translational regulation of the senescent phenotype. RPL22 acts as a CDK4 inhibitor to activate RB pathway and regulate cell cycle arrest and ASB14 is an important mediator of senescence maintenance. Taken together, our results suggest that RPL22 and ASB14 are important for cellular senescence and tumor suppression.

Staufen1 (STAU1) est une protéine de liaison à l’ARN essentielle dans les cellules non-transformées. Dans les cellules cancéreuses, le niveau d’expression de la protéine est critique et étroitement lié à des évènements d’apoptose et des altérations dans la prolifération cellulaire. Le dsRBD2 de STAU1 lie des facteurs protéiques qui sont fondamentaux pour les fonctions de la protéine, telles que la liaison aux microtubules qui garantit sa localisation au fuseau mitotique et l’interaction avec les coactivateurs de l’E3 ubiquitine-ligase APC/C, ce qui garantit la dégradation partielle de STAU1 en mitose. Nous avons cartographié un nouveau motif F39PxPxxLxxxxL50 (motif FPL) dans le dsRBD2 de STAU1. Ce motif est fondamental pour l’interaction de la protéine avec les co-activateurs de l’APC/C, CDC20 et CDH1, et sa dégradation subséquente. Nous avons ensuite identifié un total de 15 protéines impliquées dans le processus inflammatoire qui partagent cette séquence avec STAU1. Nous avons prouvé, par des essais de co-transfection et de dégradation, que MAP4K1, l’une des protéines qui partagent ce motif, est aussi dégradé via ce motif FPL. Cependant, le motif de MAP4K1 n’est pas la cible de l’APC/C. Des techniques de biotinylation des protéines à proximité de STAU1 nous ont permis d’identifier TRIM25, une E3 ubiquitine ligase impliquée dans la régulation immunitaire et l’inflammation, comme protéine impliquée dans la dégradation de STAU1 et de MAP4K1 via le motif FPL. Ceci suggère des rôles de STAU1 dans la régulation du processus inflammatoire, ce qui est consistent avec des études récentes qui associent STAU1 à ce processus. Nous considérons que le motif FPL pourrait être à la base de la coordination de la régulation des protéines impliquées dans l’inflammation et la régulation de la réponse immune. Nos études sur l’effet anti-prolifératif de STAU1 lorsque surexprimé dans les cellules transformées ont identifié le domaine dsRBD2 de STAU1 comme responsable de ce phénotype. Des mutants qui miment les différents états de phosphorylation de la serine 20, située dans le domaine dsRBD2, sont à la base des changements dans la régulation de la traduction et la dégradation des ARNm liés à STAU1. Ces changements dans la régulation des ARNm par STAU1 sont associés aux altérations dans la prolifération des cellules transformées observées lors de la surexpression de STAU1. Nous avons aussi découvert que, après la transfection de STAU1, la cellule déclenche rapidement des évènements d’apoptose, et que ces évènements sont aussi dépendants de l’état de phosphorylation de la sérine 20 dans dsRBD2 de STAU1. Ces résultats suggèrent que STAU1 est un senseur qui contrôle la balance entre la survie et la prolifération cellulaire et que l’état de phosphorylation de son dsRBD2 est à la base de ce contrôle. Nos résultats indiquent que le dsRBD2 de STAU1 est le domaine de régulation du niveau d’expression protéique et un modulateurs des rôles de la protéine comme facteur post-transcriptionnel. Nous pensons que cibler la régulation de STAU1 et ses fonctions situées dans son domaine dsRBD2, serait important dans l’étude des maladies qui impliquent des événements d’apoptose, d’inflammation et de prolifération cellulaire telles que le cancer. / Staufen1 (STAU1) is an RNA-binding protein essential in untransformed cells. In cancer cells, the level of expression of the STAU1 protein is critical and it has been closely linked to events of apoptosis and to cell proliferation impairments. STAU1's dsRBD2 binds protein factors that are fundamental for the protein's functions, such as microtubules components that ensure the protein localization to the mitotic spindle and its interaction with E3 ubiquitin-ligase APC/C coactivators, which guarantees the partial degradation of STAU1 during mitosis. By mapping a novel F39PxPxxLxxxxL50 motif (FPL motif) in the dsRBD2 of STAU1, responsible of the interaction with the co-activators of APC/C, CDC20 and CDH1, and its subsequent degradation, we were able to identify a total of 15 proteins mostly involved in the inflammatory process that share this sequence with STAU1. We proved, by co-transfection and degradation assays that, MAP4K1, one of the proteins that shares this motif, is also degraded via this FPL motif. However, we demonstrated that this motif on MAP4K1 is not the target of APC/C. Biotinylation techniques of proteins near STAU1 allowed us to identify TRIM25, an E3 ubiquitin ligase involved in immune regulation and inflammation, as a protein involved in the degradation of STAU1 and MAP4K1 via the FPL motif. This suggests roles of STAU1 in the regulation of the inflammatory events, which is consistent with recent studies that associate STAU1 with this process. We consider that the FPL motif could be at the basis of the coordination of the regulation of proteins involved in inflammation and the regulation of the immune response. Our studies on the anti-proliferative effect of STAU1 when overexpressed in transformed cells identified the domain dsRBD2 of STAU1 as responsible for this phenotype. Mutants 8 that mimic different phosphorylation states of serine 20, located in dsRBD2, underlie changes in the regulation of translation and degradation of STAU1-linked mRNAs. These STAU1-dependent changes in mRNA regulation are associated with the proliferation impairment of transformed cells that is observed upon overexpression of STAU1. We also discovered that, after STAU1 transfection, the cell rapidly triggers apoptotic events, and that these events are also dependent on the phosphorylation state of serine 20 in dsRBD2 of STAU1. These results suggest that STAU1 is a sensor that controls the balance between cell survival and cell proliferation and that the state of phosphorylation of its dsRBD2 is the basis of this control. Our results indicate that the dsRBD2 of STAU1 is the regulatory domain of the level of protein expression and a modulator of the protein roles as a post-transcriptional factor. We believe that targeting the regulation of STAU1 and its functions located in its dsRBD2 domain, would be important in the study of diseases that involve apoptosis, inflammation and cell proliferation events such as cancer.

No description available.

ERK3 est une protéine de la famille des MAP kinase (MAPK) classifiée comme atypique car elle présente des différences notables comparées aux propriétés redondantes des MAPK dites classiques. ERK3 est notamment une protéine très instable dégradée constitutivement par le système ubiquitine protéasome. Par conséquence, son activité biologique est principalement contrôlée par la régulation de sa dégradation. Pourtant, les facteurs impliqués dans la régulation de la stabilité de ERK3 restent mal compris. Ce travail de thèse vise ainsi à affiner notre compréhension des mécanismes de régulation de la stabilité de ERK3. De manière intéressante, nous avons montré dans une première étude qu’un pH acide stabilise fortement ERK3 alors qu’à l’inverse, un pH basique induit sa rapide dégradation par le protéasome. De plus, la déplétion génétique de NBCn1, un transporteur de bicarbonate impliqué dans la régulation du pH intracellulaire, augmente également la stabilité de ERK3. Ainsi, des variations de pH intracellulaire régulent finement la dégradation de ERK3. Nous avons également montré dans une deuxième étude l’importance de ERK3 dans la progression tumorale dans le cancer du sein. La surexpression de ERK3 au niveau transcriptionnel ou protéique est associée à un mauvais pronostic dans le cancer du sein, que ce soit au niveau de la survie globale ou de la survie sans métastase. Ainsi, la déplétion de ERK3 entraîne une diminution drastique du nombre de métastases au foie et aux poumons. ERK3 est également impliquée dans la migration cellulaire in vitro. Nous avons montré pour la première fois que la stabilité d’une kinase peut être modulée par le pH. Or, le pH est impliqué dans de nombreux processus biologiques comme, entre autres, la prolifération cellulaire, la migration, l’invasion et la mort cellulaire. Les résultats obtenus pendant ce doctorat ouvrent donc de nouveaux champs d’exploration pour étudier l’activité biologique de ERK3 dans des contextes dépendants du pH. / ERK3 is an atypical member of the MAP kinase (MAPK) family because its regulation differs from the canonical module of classical MAPK. ERK3 is also an unstable protein constitutively degraded by the ubiquitin proteasome system (UPS). Therefore, ERK3 stability regulation is an essential element in the control of its biological activity. However, the components implied in the regulation of its stability by the UPS are mainly unknown. This thesis aims to understand the regulation mechanisms controlling ERK3 degradation to better explore its biological function. In a first study, we showed that an acidic extracellular pH strongly stabilizes ERK3. At the opposite, a basic pH triggers its rapid degradation by the proteasome. Moreover, genetic depletion of NBCn1, a bicarbonate transporter involved in the regulation of the intracellular pH (pHi), also impacts ERK3 stability. We demonstrated that pHi variation finely regulates ERK3 degradation. We also explored the role of ERK3 in breast cancer progression in a second study. In breast cancer, high ERK3 expression correlates with a poor overall survival as well as a higher risk to develop metastases. ERK3 depletion triggers a severe decrease in the number of liver and lungs metastasis in a in vivo metastasis model. We also demonstrated that ERK3 is involved in cell migration in vitro. We showed for the first time that a kinase stability is modulated by pH variation. pH homeostasis is finely regulated in cells to assure important cellular functions such as proliferation, invasion, and survival. Therefore, ERK3 protein levels regulation by the pH raises new potential functions to explore for this kinase in a context pH dependent.

Plus de 70% des tumeurs mammaires expriment le récepteur des œstrogènes alpha (ERα), un facteur de transcription dépendant de ses ligands, les œstrogènes. Deux types d’anti-œstrogènes (AE) peuvent être utilisés en clinique pour traiter ces tumeurs : les SERM (Selective Estrogen Receptor Modulators) qui sont des agonistes partiels, tels que le tamoxifène, le SERM le plus communément utilisé en première ligne de traitement. Les SERD (Selective Estrogen Receptor Degraders) sont des AE purs et induisent la dégradation de ERα. Le fulvestrant a été le premier SERD utilisé en clinique, en seconde ligne de traitement après rechute ou dans un contexte métastatique. Cependant, il est très peu biodisponible oralement. ERα est ubiquitiné en présence de SERD, ce qui conduit à sa dégradation par la voie du protéasome. De plus, nous avons montré qu’ERα est également SUMOylé en présence de fulvestrant et d’autres AE purs. Cette SUMOylation contribue à supprimer ses propriétés transcriptionnelles. La SUMOylation et l’ubiquitination sont deux modifications post-traductionnelles similaires et consistent en la conjugaison d’une petite protéine (SUMO1/2/3 ou ubiquitine) sur des résidus d’une protéine cible lors d’une cascade de réactions impliquant trois enzymes : une enzyme activatrice E1, une enzyme de conjugaison E2 et une ligase E3. Ces processus peuvent être réversibles à l’aide de déSUMOylases (SENP) ou déubiquitinases (DUB). Dans un premier temps, nous avons étudié les déterminants structuraux de ERα nécessaires pour sa SUMOylation. Nos analyses Western et nos tests BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer), dans lesquels nous avons mesuré le transfert d’énergie entre un donneur luminescent (ERα ou ERβ fusionnés à la luciférase) et un accepteur fluorescent (SUMO1 ou SUMO3 fusionnée à la YFP), ont montré que ERα est SUMOylé en présence de fulvestrant, mais pas son paralogue ERβ. Nous avons ensuite créé des chimères dans lesquelles nous avons échangé les domaines de ERα et de ERβ et avons étudié le profil de SUMOylation de ces chimères à l’aide des mêmes essais. Nous avons ainsi mis en évidence que les séquences spécifiques à ERα dans les hélices H3-H4 du domaine de liaison au ligand sont nécessaires et suffisantes pour sa SUMOylation en présence de fulvestrant. Dans cette région, les acides aminés spécifiques à ERα ne sont pas de potentiels substrats de modification. De plus, ces hélices font partie du sillon de recrutement de cofacteurs de ERα, ce qui suggère qu’il y a un recrutement différentiel de la machinerie de SUMOylation par ERα et ERβ en présence de fulvestrant. Nous avons montré que la surexpression de PIAS1 et PIAS2 peut augmenter le signal de SUMOylation. Nous avons ensuite étudié le lien entre la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα induites par les AE. Nous avons adapté nos tests BRET pour mesurer l’ubiquitination de ERα, en réalisant des essais Ubi-BRET (Ubiquitine fusionnée à la YFP). Nous avons ainsi pu observer que la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα sont affectées par les mêmes mutations en présence d’AE, suggérant un lien entre ces deux voies de modification de ERα induites par les AEs purs. Des essais en cinétique BRET ont montré que ces modifications se font en parallèle et que l’utilisation d’inhibiteurs de SUMOylation chimiques (ML-792 et TAK-981) ou protéiques (déSUMOylase SENP1/2) abrogent la SUMOylation de ERα. En revanche, l’ubiquitination de ERα par différents AE est partiellement diminuée lorsque ces inhibiteurs sont utilisés. La surexpression des protéines RNF4 et RNF111, qui sont des enzymes E3 ubiquitine ligases qui vont ubiquitiner spécifiquement les protéines SUMOylées (STUbL), augmente l’ubiquitination de ERα en présence de fulvestrant et d’autres SERD, de manière dépendante de la SUMOylation. Cependant, l’inhibition de la SUMOylation par les inhibiteurs ML-792 et TAK-781 n’a pas eu d’effet sur la dégradation de ERα par la voie du protéasome dans les cellules ER-positives MCF-7 et T47D. Ces résultats suggèrent que la SUMOylation et l’ubiquitination de ERα ont lieu en parallèle et nécessitent la même conformation de ERα induite par les AE. Enfin, ces deux modifications peuvent être reliées, grâce aux protéines STUbL de manière spécifique des cellules. En résumé, ces projets nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’action des anti-œstrogènes purs utilisés dans le cancer du sein ER-positif. Nos découvertes pourront contribuer à anticiper des mécanismes possibles de résistance à ces molécules et permettre d’optimiser le développement de nouveaux anti-œstrogènes plus efficaces dans l’induction de la SUMOylation. / More than 70% of mammary tumors are positives for the expression of the estrogen receptor alpha (ERα), a ligand-dependent transcription factor, activated by estrogens. Two types of antiestrogens (AE) are used in the clinic to treat these tumors: the SERMs (Selective Estrogen Receptor Modulators), which are partial agonists, with the tamoxifen, the most common SERM used in first line of treatment. The SERDs (Selective Estrogen Receptor Degraders) are pure antiestrogens that induced ERα degradation. Fulvestrant has been the first SERD used in the clinic, in second line of treatment after relapse or in a metastatic setting. However, fulvestrant is poorly orally bioavailable. ERα is ubiquitinated in the presence of SERDs and this induce its degradation via the proteasome pathway. In our lab, we have showed that ERα is also SUMOylated in the presence of fulvestrant and other pure antiestrogens. This SUMOylation suppresses its transcriptional properties. SUMOylation and ubiquitination are two similar post-translational modifications that consist in the conjugation of a small protein (SUMO1/2/3 or ubiquitin) on residues of a target protein during an enzymatic cascade implicating three enzymes: an E1 activating, an E2 conjugating and an E3 ligase. These processes are reversible thanks to deSUMOylases (SENPs) and deubiquitinases (DUBs). First, we have studied the structural determinants of ERα required for its SUMOylation. Our Western and BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) analyses, where we measured the energy transfer between a luminescent donor (ERα or ERβ fused to the luciferase) to a fluorescent acceptor (SUMO1 or SUMO3 fused to the YFP), have showed that ERα is SUMOylated in the presence of fulvestrant but not its paralog ERβ. We have created chimeras by exchanging domains between ERα and ERβ et we have studied the SUMOylation profile of these chimeras with these assays. We showed that the specific sequence to ERα in the H3-H4 helices of the ligand binding domain are necessary and sufficient to induce its SUMOylation in the presence of fulvestrant. In this region, the amino acids that are specifics to ERα are not potential substrates of modification. Moreover, these helices are part of the cofactor binding groove of ERα, suggesting that there is a differential recruitment of the SUMOylation machinery by ERα compared to ERβ in the presence of fulvestrant. We have also showed that the overexpression of the E3 SUMO ligases PIAS1 and PIAS2 can increase the SUMOylation signal. We then studied the parallel between SUMOylation and ubiquitination of ERα induced by AE. We adapted our BRET assays to measure the ubiquitination of ERα, by performing Ubi-BRET assays (ubiquitin fused to the YFP). We observed that SUMOylation and ubiquitination of ERα are affected by the same mutations in the presence of AE, suggesting that there is a crosstalk between these two modification pathways of ERα induced by AE. BRET kinetic assays showed that these modifications happened in parallel and that the use of SUMOylation inhibitors (chemicals ML-792 and TAK-981; or deSUMOylases SENP1/2) abrogated the SUMOylation of ERα. However, the ubiquitination of ERα by different AE is partially decreased when these inhibitors are used. The overexpression of RNF4 and RNF111, which are SUMO-targeted ubiquitin ligases (STUbLs), that will specifically ubiquitinate SUMOylated target proteins, increased the ubiquitination of ERα in the presence of fulvestrant and other SERDs, in a SUMO-dependent manner. However, the inhibition of SUMOylation by ML-792 and TAK-981 inhibitors did not impact the degradation of ERα induced by the proteasome in ER-positive breast cancer cells MCF7 and T47D. These results suggest that SUMOylation and ubiquitination of ERα happened in parallel and required the same conformation of ERα induced by AE. Finally, these two modifications can be linked thanks to STUbLs in a cell-specific manner. These projects led us to better understand the mechanisms of action of pure AE used in the treatment of ER-positive breast cancer. Our findings will contribute to anticipate possible mechanisms of resistance to AE et will help for the optimization and the development of new AE, more efficient in inducing ERα SUMOylation.

Das COP9 Signalosom (CSN) ist ein hoch konservierter Proteinkomplex, der an der Regulation des Ubiquitin (Ub)-26S Proteasomsystems (UPS) beteiligt ist. Das UPS ist die wichtigste Proteolysemaschinerie in eukaryotischen Zellen, bei der Proteine über eine dreistufige Kaskade der Enzyme E1-E3 mit einer Ub-Kette markiert werden, die als Erkennungssignal für den Abbau durch das 26S Proteasom dient. Das CSN gilt als Paralog zum Lid, einem Subkomplex des 26S Proteasoms, und interagiert mit einer Vielzahl von Proteinen, unter anderem mit E3-Ligasen und Kinasen. In dieser Arbeit konnte die direkte Bindung des CSN an das 26S Proteasom gezeigt werden, was zu einem Einfluss auf die Peptidaseaktivität des 26S Proteasoms in vitro führt. In Flag-Pulldown-Experimenten aus B8 Mausfibroblasten, die stabil mit Flag-CSN2 transfiziert waren, wurde ein vollständiger Flag-CSN-Komplex nachgewiesen, der mit dem 26S Proteasom assoziiert vorliegt. Co-Immunpräzipitationen beider Komplexe in vitro wiesen auf eine konzentrationsabhängige Verdrängung des Lid-Subkomplexes durch das CSN hin. Diese Interaktion führte zur Reduktion der proteolytischen Aktivität des 26S Proteasoms. Darüber hinaus wurde eine assoziierte deubiquitinierende Aktivität am CSN entdeckt und als USP15 identifiziert. Die Charakterisierung von USP15 zeigte, dass es durch die am CSN assoziierte Kinase CK2 phosphoryliert und stabilisiert wird. Erstmalig konnte durch Inhibitorstudien mit ortho-Phenanthrolin eine Metallabhängigkeit der Aktivität von USP15 nachgewiesen werden, die zur Identifizierung eines bisher unbekannten Zn-Fingers führte. Mutationsanalysen des Zn-Fingers zeigen, dass dieser für die Bindung und Spaltung von Ub-Ketten, nicht aber von linearen Ub-Konstrukten, notwendig ist. In Zellexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass USP15 die E3 Ligase Rbx1 stabilisiert, was vermutlich auf eine Umkehr der Autoubiquitinierung zurückzuführen ist. Das CSN scheint somit sowohl das 26S Proteasom als auch die E3-Ligasen direkt zu beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Vertiefung der Erkenntnisse über das CSN als Regulator des UPS dar. / The COP9 signalosome (CSN) is a conserved protein complex that is involved in the regulation of the ubiquitin (Ub)/26S proteasome system (UPS). The UPS is the most important degradation machinery in eukaryotic cells. By the concerted action of three enzymes, E1-E3, proteins are labelled with a Ub-chain that serves as a recognition signal for the degradation by the 26S proteasome. The CSN is homologous to the lid, a subcomplex of the 26S proteasome, and interacts with numerous proteins, including E3 Ub ligases and kinases. In this study a direct interaction of the CSN with the 26S proteasome could be shown which has consequences for the peptidase activity of the 26S proteasome in vitro. In Flag-pull-down experiments from mouse B8 fibroblasts, that permanently expressed Flag-CSN2, an intact Flag-CSN complex was detected that is associated with the 26S proteasome. Co-immunoprecipitation of both complexes in vitro indicated a concentration-dependent replacement of the lid subcomplex by the CSN. This interaction led to a decrease of the proteolytic activity of the 26S proteasome. Moreover, a deubiquitinating activity associated with the CSN was discovered and identified as USP15. The USP15 was phosphorylated by the CSN-associated kinase CK2 that stabilised the enzyme. For the first time inhibitor studies with ortho-phenanthroline demonstrated a metal-dependency for the activity of USP15 that could be attributed to a formerly unidentified Zn-finger. Mutational analysis of the Zn-finger showed that it is necessary for the binding and cleavage of poly-Ub-chains but not for linear Ub-constructs. Cell culture experiments demonstrated a stabilisation of the E3 ligase Rbx1 by USP15 most likely by reversing its autoubiquitination. Therefore the CSN seems to directly influence the 26S proteasome as well as E3 ligases in their functions. These results expand the present knowledge on the CSN as a regulator of the UPS.

Das 20S Proteasom ist das Kernelement des Ubiquitin-Proteasom-Systems und baut fehlerhafte, nicht mehr benötigte und oxidierte Proteine ab, wobei drei katalytisch aktive Untereinheiten die Polypeptidkette schneiden. Das proinflammatorische Cytokin IFNg induziert die Expression und Inkorporation der alternativen katalytisch aktiven Immunountereinheiten, was in variablen Isoformen des 20S Proteasoms resultiert. Die zusätzliche Assoziation des 19S Regulators, bzw. des PA28 und des PA200 Aktivators an eine Isoform erweitert das Sortiment an proteasomalen Komplexsubtypen. Der zeitliche Verlauf einer IFNg Stimulation zeigte, dass die Aktivatoren PA28 und PA200 antagonistisch an das 20S Proteasom assoziieren und niedermolekulare Komplexsubtypen bilden, sodass in dieser Studie auch zum ersten Mal eine IFNg abhängige Assoziation des PA200 Monomers an das 20S Proteasom detektiert wurde. Ex vivo Versuche zeigten, dass die Defizienz der Immunountereinheit LMP7 mit der Assoziation des PA28-Aktivators an das 20S-19S Proteasom kompensiert wird, wobei die funktionelle Wirksamkeit aber offen bleibt. In einer monozytären Zelllinie wird ein sehr hochmolekularer, chymotryptisch aktiver Komplex assembliert und massenspektrometrische Analysen detektierten proteasomale Untereinheiten und viele Komponenten der Proteinbiosynthese, was für eine Assoziation des Proteasoms mit dem Polysom spricht. Diese Möglichkeit der kotranslationalen Degradation kann auch die Assoziation des detektieren Chaperonins TriC erklären, wobei dieser Komplex, der ATP abhängig Proteine faltet, möglicherweise auch direkt mit dem Proteasom interagieren könnte, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen belegten. Neben den neuen strukturellen Ergebnissen, bestätigte die funktionelle Analyse den Abbau polyubiquitinierter Substrate durch 19S-Regulator assoziierte Komplexsubtypen, doch das 19S-20S-19S Proteasom konnte das Modellsubstrat HA-Ubi-IkBa-flag besser abbauen und deubiquitinieren als das 20S-19S Proteasom. / The 20S proteasome is the core element of the ubiquitin-proteasome-system, which degrades defective, unneeded and oxidized proteins, while three catalytically active subunits hydrolyze the peptide bonds of the polypeptide. The proinflammatory cytokine IFNg induces the expression and incorporation of three alternative, catalytically active immunosubunits resulting in variable isoforms of the 20S proteasome. The additional association of the 19S regulator, or the PA28 and PA200 activator, respectively, expands the range of proteasome complex subtypes. The time course of IFNg stimulation showed that the proteasomal association of PA28 and PA200 occurs antagonistically, forming low molecular weight complex subtypes. Furthermore, this study revealed for the first time an IFNg dependent association of the PA200 monomer to the 20S proteasome. Ex vivo experiments showed that the deficiency of the immunosubunit LMP7 is compensated by the association of the PA28 activator to the 20S-19S proteasome, whereas the functional efficacy remains elusive. In a monocytic cell line, a chymotryptic active complex with a very high molecular weight was detected, and mass spectrometry confirmed proteasomal subunits and components of the protein synthesis machinery, suggesting an association of the proteasome with the polysome. The fact of cotranslational degradation may also explain the association of the chaperonin TriC, an ATP dependent protein folding chaperonin. Electron micrographs could reveal that TriC possibly interacts directly with the proteasome. Next to the new structural results, the functional analysis confirmed the degradation of polyubiquitinated substrates by 19S regulator associated complex subtypes, and in addition to it, the 19S-20S-19S proteasome degraded and deubiquitinated the model substrate HA-Ubi-IkBa-flag better than the 20S-19S proteasome.