Les invertases de plantes (Invs) hydrolysent de manière irréversible le saccharose en fructose et glucose. En fonction de leur pH optimum et de leur localisation subcellulaire, les Invs sont classées en trois groupes : alcaline et neutre (A/N-Inv), vacuolaire (VI) et de paroi (CWI). Le but de notre étude a été de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans les régulations post-traductionnelles d'une VI de Solanum lycopersicum (VINV). L'ADNc codant pour VINV a été cloné et exprimé dans le système hétérologue Pichia pastoris. Après purification, la caractérisation biochimique a été réalisée et a montré des résultats comparables à ceux obtenus précédemment pour d'autres Invs. La structure tridimensionnelle de VINV a été résolue par cristallographie aux rayons X à 2,75 Å et il s'agit de la première structure d'une VI décrite jusqu'ici. Des expériences de mutagénèse dirigée ont permis d'identifier certains acides aminés impliqués dans la catalyse : le nucléophile, le catalyseur acide/base, le stabilisateur d'état de transition et un résidu qui module le pKa du catalyseur acide/base. Par ailleurs, la régulation de l'activité de VINV a été étudiée. La N-glycosylation de VINV recombinante semble être importante pour la stabilité de la structure. De plus, l'activité VINV peut aussi être modulée par un inhibiteur protéique spécifique. Une approche de génomique fonctionnelle a été utilisée, et un inhibiteur d'invertase vacuolaire putatif (SolyVIF) de S. lycopersicum a été identifié dans la banque de données des Solanacées. L'ADNc codant pour SolyVIF a été cloné et exprimé dans le système hétérologue Escherichia coli Rosetta gami (DE3). / Plant invertases (Invs) hydrolyze irreversibly sucrose into fructose and glucose. Based on their pH optima and subcellular localization, Invs are categorized into three groups: alkaline and neutral invertase (A/N-Inv), vacuolar invertase (VI), and cell wall invertase (CWI). The goal of our study was to better understand mechanisms involved in the molecular regulation of a VI from Solanum lycopersicum (VINV) at post-translational levels. The VINV cDNA was cloned and heterologously expressed in Pichia pastoris. After purification, the biochemical characterization was performed and showed comparable results with those obtained previously for other characterized Invs. The three-dimensional structure of VINV was solved by X-ray crystallography to 2.75 Å resolution and it was the first structure of a plant VI described so far. Mutations experiments allowed to identify important amino acids: the nucleophile, the acid/base catalyst, the transition-state stabilizer and a residue that modulate pKa of the acid/base catalyst. Moreover, the regulation of VINV at different post-translational levels was studied. N-glycosylation of recombinant VINV seems to be important for structure stability. VINV activity can also be modulated by specific proteinaceous inhibitor. A functional genomics approach was used, and a putative vacuolar invertase inhibitor (SolyVIF) of S. lycopersicum was identified in the Solanaceae data bank. SolyVIF cDNA was cloned and heterologously expressed in Escherichia coli Rosetta gami (DE3). Recombinant protein was purified and characterized.

Vor zehn Jahren wurde der (Pro)Renin-Rezeptor [(P)RR] entdeckt und als neuer Bestandteil des Renin-Angiotensin-Systems beschrieben. Neuere Studien ergaben, dass der (P)RR mit der vakuolären H+-ATPase (V-ATPase) assoziiert sein kann, weshalb er auch V-ATPase associated protein 2 (ATP6ap2) genannt wird. In Osteoklasten befinden sich V-ATPase hauptsächlich an der zur Knochenoberfläche gerichteten Plasmamembran und transportieren Protonen in den extrazellulären Raum. Mäuse mit genetischer Deletion verschiedener V-ATPase-Untereinheiten charakterisiert durch einen Anstieg von Knochenmasse (Osteopetrose). In der vorliegenden Arbeit fanden wir heraus, dass (P)RR stark in reifen Osteoklasten in vitro und in vivo exprimiert wird. Mäuse mit genetischer Deletion des (P)RR in Osteoklasten wurden durch einen komplexen Knochen-Phänotyp mit reduzierter Knochendichte charakterisiert. (P)RR-defiziten Osteoklasten wiesen vermehrte Differenzierung und/oder Aktivität in vitro und in vivo auf. Wir postulieren deshalb, dass der (P)RR die in der Plasmamembran lokalisierten V-ATPase nicht direkt reguliert, sondern mit der physiologischen Aktivität der Osteoklasten durch andere Mechanismen interferiert. Macrophagen sind speziell auf die Immunabwehr ausgerichtete Fresszellen (Phagozyten). Phagozytose ist ein wesentlicher Zellprozess der die V-ATPase in Lysosomen braucht um die eingeschlossenen Pathogen zu zerstören. Wir generierten transgene Ratten mit konditionellen knockdown von (P)RR unter Nutzung eines Doxyzyclin-induzierten shRNA-Expressionssystems. Eine effiziente (P)RR-Depletion in Makrophagen wurde durch Behandlung mit Doxyzyclin in vivo im Trinkwasser und in vitro im Kulturmedium erreicht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Verschiebung des vesikulären pHs erst ziemlich spät nach (P)RR-Depletion auftritt. Wir fanden heraus, dass (P)RR-Depletion weder Phagozytose noch Endozytose beeinträchtigte, sondern für das Recycling des Transferrin-Rezeptors zur Plasmamembran wichtig ist. / A decade ago, the (pro)renin receptor [(P)RR] was discovered and depicted as a new component of the renin-angiotensin system. However, recent studies have put in evidence that the (P)RR associate with and regulate the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase), hence its other name vacuolar H+-ATPase associated protein 2 (ATP6ap2). In osteoclasts, V-ATPases are mainly located at the plasma membrane facing the bone surface and extrude protons into the extracellular space. Mice with genetic deletion of various V-ATPase subunits are characterized by an increase of bone mass (osteopetrosis). In this work, we found that the (P)RR is highly expressed in mature osteoclasts in vitro and in vivo. Mice with genetic deletion of the (P)RR in osteoclasts developed a complex bone phenotype characterized by a reduced bone density. Osteoclasts lacking (P)RR displayed increased differentiation and/or activity in vitro and in vivo. We therefore suggest that the (P)RR does not directly regulate V-ATPases located at the plasma membrane but rather interferes with osteoclast physiology through other mechanisms. Macrophages are professionalized phagocytes crucial for immune response. Phagocytosis is an essential cellular process, which requires lysosomal V-ATPases for degradation of engulfed pathogens. We generated transgenic rats with a conditional depletion of the (P)RR with the use of a doxycycline-induced shRNA expression system. Efficient (P)RR depletion in macrophages was accomplished by doxycycline treatment in vivo in drinking water and in vitro in culture medium. In this work, we found that the impairment of vesicular pH occurs lately after (P)RR deletion. Also, we found that (P)RR deletion did not impair neither phagocytosis nor endocytosis but rather perturbed the recycling of the transferrin receptor to the plasma membrane.

Metazoans have evolved conserved mechanisms to promote cell survival under low oxygen tensions by initiating a transcriptional cascade centered on the action of Hypoxia Inducible transcription Factors (HIFs). In aerobic conditions, HIFs are inactivated by ubiquitin-proteasome-mediated degradation of their a subunit, which is dependent on prolyl hydroxylation by 2-oxoglutarate (2-OG) and Fe(II)-dependent prolyl hydroxylases (PHDs). In hypoxia, HIF-$\alpha$ is no longer hydroxylated and is therefore stabilised, activating a global transcriptional response to ensure cell survival. Interestingly, HIFs can also be activated in aerobic conditions, however the mechanisms of this oxygen-independent regulation are poorly understood. Here, I have explored the role of the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase), the major proton pump for acidifying intracellular vesicles and facilitating lysosomal degradation, in regulating HIF-$\alpha$ turnover. Unbiased forward genetic screens in near-haploid human cells identified that disruption of the V-ATPase leads to activation of HIFs in aerobic conditions. Rather than preventing the lysosomal degradation of HIF-$\alpha$, I found that V-ATPase inhibition indirectly affects the canonical proteasome-mediated degradation of HIF-$\alpha$ isoforms by altering the intracellular iron pool and preventing HIF-$\alpha$ prolyl hydroxylation. In parallel, I characterised two putative mammalian V-ATPase assembly proteins, TMEM199 and CCDC115, identified by the forward genetic screen and subsequent mass spectrometry analysis. I confirmed that both TMEM199 and CCDC115 are required for V-ATPase function, and established assays to determine how TMEM199 and CCDC115 associate with components of the core V-ATPase complex. Lastly, to measure how V-ATPase activity leads to changes in the labile iron pool, I developed an endogenous iron reporter using CRISPR-Cas9 knock-in technology. This approach confirmed that iron homeostasis is impaired during V-ATPase inhibition, and demonstrated that exogenous ferric iron can restore the labile iron pool in a transferrin-independent manner. Together my studies highlight a crucial link between V-ATPase activity, iron homeostasis, and the hypoxic response pathway.

Eisen (Fe) liegt an vierter Stelle in der Fülle von Elementen in der Erdkruste, aber Fe-Mangel ist ein weit verbreitetes Problem bei Pflanzen und Tieren, da die Fe-Oxide unlöslich sind. Fe-Mangel führt zu einer Verringerung der Pflanzenproduktivität und am deutlichsten zu einer erhöhten Fe-induzierten Anämie beim Menschen. Es wurde angenommen, dass die Biofortifizierung von Fe ein praktischer Ansatz zur Verbesserung der Nährstoffqualität in Pflanzen und damit auch in Lebensmitteln oder Tierfutter ist. In dieser Arbeit wurden neue Strategien zur Erhöhung des Fe-Gehalts in der Modellpflanze Arabidopsis getestet. Vakuoläre Fe-Transportgene der VTL-Familie wurden in Kombination mit dem neu entdeckten Fe-Regulierungsprotein IMA1oder dem Fe-Bindungspeptid NAS3 überexprimiert. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Überexpression von VTL1, 2, 3, 4 oder 5, IMA1 oder NAS3 mit erhöhtem Eisengehalt im Samen korreliert. Die Expression der Gene für die Aufnahme von Fe und die Homöostase bestätigten den erhöhten Fe-Gehalt in diesen überexprimierenden Pflanzen. Die doppelte Überexpression der VTL-Gene in Kombination mit IMA1 oder NAS3 führte zu keinem weiteren Anstieg des Fe-Gehaltes, der wahrscheinlich durch die Regulation der VTL-Gene durch IMA1-Expression und den Mangel an erhöhtem Nicotianamin im Fall von VTL5 / NAS3-Überexpressionpflanzen verursacht würde. Zukünftige Forschung sollte der Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Kulturpflanzen gewidmet sein. / Iron (Fe) ranks fourth in an abundance of elements in the Earth’s crust, but Fe deficiency is a widespread problem in plants and animals because of the insolubility of Fe oxides. Fe deficiency leads to reduce plant productivity and most significantly to enhanced Fe-induced anemia in humans. Fe biofortification has been suggested to be a practical approach for improving the nutritional quality of plants for food or feed. In this work, we have tested new strategies for increasing Fe content in the model plant Arabidopsis. Vacuolar Fe transport genes of the VTL family (VIT1-like) were over-expressed in combination with the newly discovered Fe regulatory protein IMA1 (IronMan1) or the Fe-binding peptide NAS3. Over-expression of each of the five VTL genes (VTL1 – 5) led to an increased Fe content by 2- to 3-fold in Arabidopsis seeds. IMA1 was greatly induced under Fe deficiency. Over-expression of IMA1 resulted in an Fe deficiency response also in Fe-sufficient plants. Fe content was an increase by 3-fold in seed, leaves, roots, and seedlings of Arabidopsis. The expression of Fe uptake and homeostasis genes was greatly induced in over-expressing plants independent of the Fe supply compared to the wild type. Analyses of NAS3 OE plants showed that Fe content in seeds was increased approximately 2-fold compared to WT. In conclusion, we have demonstrated that single over-expression of VTL1, 2, 3, 4 or 5, IMA1 or NAS3 correlated with increased seed Fe. Expression of Fe uptake and homeostasis genes confirmed the increased Fe content in these over-expressing plants. Double over-expression of the VTL genes in combination with IMA1 or NAS3 resulted in no further increase in Fe likely caused by the regulation of the VTL genes by IMA1 expression and the lack of increased nicotianamine in the case of VTL5/NAS3 over-expressing plants. Future research should be dedicated to extending these findings to crop plants.

Les lymphocytes B jouent un rôle central dans l’immunité humorale par leur capacité à présenter des antigènes aux lymphocytes T, à sécréter des cytokines et à se différencier en plasmocytes produisant des anticorps. Ces fonctions peuvent être induites par leur stimulation in vitro. Par leur aptitude à présenter des antigènes indépendamment de la spécificité du récepteur des lymphocytes B (BCR), les lymphocytes B peuvent être utilisés comme cellules présentatrices d’antigènes (antigen-presenting cells, APC) afin d’induire la réponse cellulaire des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques spécifiques. L’immunité cellulaire est cruciale pour prévenir les infections contre certains virus et en immunothérapie du cancer. L’objectif général de ces travaux est d’étudier la biologie des lymphocytes B. Plus particulièrement, nous souhaitons comprendre et améliorer leur fonction de présentation d’antigène afin d’utiliser les lymphocytes B comme source alternative d’APC. Dans la première partie de ces travaux, notre attention s’est portée sur la compréhension du mécanisme de présentation croisée par le complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH-I) par lequel un épitope de la protéine gp100 du mélanome, inséré dans une nanoparticule pseudo-virale (VLP) composée de la protéine de surface du virus de la mosaïque de la papaye (PapMV), est présenté par les lymphocytes B. Cette VLP est une plateforme vaccinale capable de stimuler le système immunitaire sans l’aide d’adjuvant et facilite la présentation croisée de l’épitope inséré, de façon indépendante de l’activité du protéasome. Les résultats obtenus démontrent que l’apprêtement de l’épitope inséré dans la nanoparticule s’effectue selon une voie de présentation croisée vacuolaire qui dépend de l’activité de la cathepsine S, de l’acidification des lysosomes et requiert l’induction de l’autophagie. Ainsi, nous avons défini plus précisément le mécanisme de présentation croisée par lequel les lymphocytes B apprêtent et présentent un épitope inséré dans la VLP de PapMV. Par la suite, nous avons cherché à améliorer le protocole d’activation in vitro permettant d’amplifier et d’induire les fonctions de présentation d’antigènes des lymphocytes B, dans le but d’utiliser ces cellules pour activer les réponses cellulaires des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Les stimulations in vitro des lymphocytes B par le CD40 ligand (CD40L) et l’interleukine (IL)-21 ou la combinaison de l’IL-4 et l’IL-21 au lieu de l’activation standard avec le CD40L et l’IL-4 ont été évaluées. Nos résultats ont approfondi nos connaissances de la biologie des lymphocytes B. Nous avons démontré que la stimulation des lymphocytes B avec le CD40L et l’IL-21 augmente leur prolifération, mais mène à leur différenciation en plasmocytes sécrétant des anticorps. Au contraire, la stimulation avec le CD40L et l’IL-4 induit efficacement leur fonction de présentation d’antigènes. La stimulation des lymphocytes B avec le CD40L et la combinaison de l’IL-4 et de l’IL-21 augmente leur prolifération, mène seulement faiblement à leur différenciation en cellules sécrétrices d’anticorps, mais induit efficacement leur fonction de présentation d’antigènes. Nous avons démontré pour la première fois que cette méthode permet de générer des APC puissantes capables d’induire la réponse des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques in vitro. Nos résultats nous permettent de postuler que ces cellules pourraient être capables de mener à une réponse cellulaire in vivo. En tant qu’APC efficaces, les lymphocytes B pourraient être utilisés dans une stratégie vaccinale ou être employés comme APC afin d’améliorer les traitements d’immunothérapie du cancer par transfert adoptif de lymphocytes T. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse ont porté tant sur la compréhension des mécanismes de présentation croisée d’un épitope inséré dans la VLP de PapMV par les lymphocytes B, que sur l’amélioration de la méthode permettant d’induire leur fonction de présentation d’antigènes pour activer les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Ces travaux de recherche fondamentale ont permis de contribuer à des avancées sur les connaissances de la biologie des lymphocytes B. Ils offrent de nouvelles pistes de réflexion quant aux utilisations biotechnologiques des lymphocytes B comme source alternative d’APC pour des applications de recherche fondamentale et clinique telles que la vaccination et les traitements d’immunothérapie du cancer. / B lymphocytes are central to humoral immunity due to their ability to present antigens to T cells, secrete cytokines and to differentiate into antibody-producing plasma cells. These functions can be induced by their in vitro stimulation. Being able to present antigens independently of the specificity of their B cell receptor (BCR), B cells can be used as antigen-presenting cells (APC) to induce specific cytotoxic CD8+ T cell cellular responses. Cellular immunity is crucial to prevent infections against viruses and in cancer immunotherapy. The main aim of this thesis is to study B cell biology. Specifically, we aim to deepen our understanding of their antigen presentation function and improve this function to use B cells as an alternative source of APC. First, we focused on deciphering the class I major histocompatibility complex (MHC-I) cross-presentation mechanism by which an epitope from gp100 melanoma protein, inserted in a virus-like particle (VLP) made of the coat protein of the papaya mosaic virus (PapMV), is presented by B cells. This VLP is a vaccine platform able to stimulate the immune system with no adjuvant and mediate a proteasome independent cross-presentation of the inserted epitope. Our results show that the inserted epitope is processed through a vacuolar pathway dependent on cathepsin S activity, lysosome acidification and requires the induction of autophagy. Thus, we provide a more detailed characterization of the mechanism used by B cells to process and cross-present an epitope inserted in PapMV VLP. Secondly, we aimed to improve the in vitro activation protocol used to expand B cells and induce their antigen presentation functions to use these cells to trigger cytotoxic CD8+ T cell cellular responses. We evaluated the in vitro stimulation of B cells with CD40 ligand (CD40L) and interleukin (IL)-21 or the combination of IL-4 and IL-21 instead of the standard activation method based on CD40L and IL-4. Our results deepen our knowledge of B cell biology. We showed that stimulating B cells with CD40L and IL-21 increases their proliferation but leads to their differentiation in antibody-producing plasma cells. In comparison, the stimulation with CD40L and IL-4 efficiently induces their antigen presentation function. The stimulation of B lymphocytes with CD40L and the combination of IL-4 and IL-21 increases their proliferation, weakly leads to their differentiation in antibody-secreting cells but is very efficient in inducing their antigen presentation function. We show for the first time that this method can generate potent APC able to induce cytotoxic CD8+ T cell responses in vitro. Our results allow us to hypothesize that these cells could be capable of triggering cellular immunity in vivo. As efficient APC, B cells could be used in a vaccination strategy or be employed as APC to improve cancer immunotherapy treatments such as adoptive cell transfer of T lymphocytes. Thus, the work presented in this thesis provides a deeper understanding of the antigen cross-presentation pathway by which B cells process and present an epitope inserted in PapMV VLP. It also reports an improved method to induce antigen presentation function of B cells to stimulate cytotoxic CD8+ T cells. This research work constitutes a leap forward in fundamental B cell research by increasing our knowledge of B cell biology. It also brings new opportunities regarding biotechnological uses of B cells as an alternative source of APC for fundamental and clinical applications such as vaccination and cancer immunotherapy treatments.