Mycobacterial infection of macrophages results in membrane-permeable phagosomes

Cell-mediated immunity is critical for host resistance to tuberculosis. T lymphocytes recognizing antigens presented by the major histocompatibility complex (MHC) class I and class II molecules have been found to be necessary for control of mycobacterial infection. Mice genetically deficient in the generation of MHC class I and class Ia responses are susceptible to mycobacterial infection. Although soluble protein antigens are generally presented by macrophages to T cells through MHC class II molecules, macrophages infected with Mycobacterium tuberculosis or bacille Calmette-Guerin have been shown to facilitate presentation of ovalbumin through the MHC class I presentation pathway via a TAP-dependent mechanism. How mycobacteria, thought to reside within membrane-bound vacuoles, facilitate communication with the cytoplasm and enable MHC class I presentation presents a paradox. By using confocal microscopy to study the localization of fluorescent-tagged dextrans of varying size microinjected intracytoplasmically into macrophages infected with bacille Calmette-Guerin expressing the green fluorescent protein, molecules as large as 70 kilodaltons were shown to gain access to the mycobacterial phagosome. Possible biological consequences of the permeabilization of vacuolar membranes by mycobacteria would be pathogen access to host cell nutrients within the cytoplasm, perhaps contributing to bacterial pathogenesis, and access of microbial antigens to the MHC class I presentation pathway, contributing to host protective immune responses.

RacF1, a Novel Member of the Rho Protein Family in Dictyostelium discoideum, Associates Transiently with Cell Contact Areas, Macropinosomes, and Phagosomes

Using a PCR approach we have isolated racF1, a novel member of the Rho family in Dictyostelium. The racF1 gene encodes a protein of 193 amino acids and is constitutively expressed throughout the Dictyostelium life cycle. Highest identity (94%) was found to a RacF2 isoform, to Dictyostelium Rac1A, Rac1B, and Rac1C (70%), and to Rac proteins of animal species (64–69%). To investigate the role of RacF1 in cytoskeleton-dependent processes, we have fused it at its amino-terminus with green fluorescent protein (GFP) and studied the dynamics of subcellular redistribution using a confocal laser scanning microscope and a double-view microscope system. GFP–RacF1 was homogeneously distributed in the cytosol and accumulated at the plasma membrane, especially at regions of transient intercellular contacts. GFP–RacF1 also localized transiently to macropinosomes and phagocytic cups and was gradually released within <1 min after formation of the endocytic vesicle or the phagosome, respectively. On stimulation with cAMP, no enrichment of GFP–RacF1 was observed in leading fronts, from which it was found to be initially excluded. Cell lines were obtained using homologous recombination that expressed a truncated racF1 gene lacking sequences encoding the carboxyl-terminal region responsible for membrane targeting. These cells displayed normal phagocytosis, endocytosis, and exocytosis rates. Our results suggest that RacF1 associates with dynamic structures that are formed during pinocytosis and phagocytosis. Although RacF1 appears not to be essential, it might act in concert and/or share functions with other members of the Rho family in the regulation of a subset of cytoskeletal rearrangements that are required for these processes.

Defective localization of the NADPH phagocyte oxidase to Salmonella-containing phagosomes in tumor necrosis factor p55 receptor-deficient macrophages

Tumor necrosis factor receptor (TNFR) p55-knockout (KO) mice are susceptible profoundly to Salmonella infection. One day after peritoneal inoculation, TNFR-KO mice harbor 1,000-fold more bacteria in liver and spleen than wild-type mice despite the formation of well organized granulomas. Macrophages from TNFR-KO mice produce abundant quantities of reactive oxygen and nitrogen species in response to Salmonella but nevertheless exhibit poor bactericidal activity. Treatment with IFN-γ enhances killing by wild-type macrophages but does not restore the killing defect of TNFR-KO cells. Bactericidal activity of macrophages can be abrogated by a deletion in the gene encoding TNFα but not by saturating concentrations of TNF-soluble receptor, suggesting that intracellular TNFα can regulate killing of Salmonella by macrophages. Peritoneal macrophages from TNFR-KO mice fail to localize NADPH oxidase-containing vesicles to Salmonella-containing vacuoles. A TNFR-KO mutation substantially restores virulence to an attenuated mutant bacterial strain lacking the type III secretory system encoded by Salmonella pathogenicity island 2 (SPI2), suggesting that TNFα and SPI2 have opposing actions on a common pathway of vesicular trafficking. TNFα–TNFRp55 signaling plays a critical role in the immediate innate immune response to an intracellular pathogen by optimizing the delivery of toxic reactive oxygen species to the phagosome.

Modulation des radeaux lipidiques et des propriétés de fusion des phagosomes par le lipophosphoglycane du parasite intracellulaire Leishmania donovani

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

Modulation des radeaux lipidiques et des propriétés de fusion des phagosomes par le lipophosphoglycane du parasite intracellulaire Leishmania donovani

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

Influência das proteínas motoras e CK2 no processo de interação Leishmania braziliensis-macrófago.

O gênero Leishmania é responsável por um grupo de parasitoses que podem variar desde lesões auto-limitadas até severa injúria de tecido. Estes protozoários são parasitos obrigatoriamente intracelulares, tendo o macrófago como célula hospedeira. Durante o processo de fagocitose os macrófagos utilizam a maquinaria presente em seu citoesqueleto, a qual compreende a participação de miosinas e actinas, para a formação do fagossoma. Estas proteínas estão envolvidas em processos como citocinese, tráfego intracelular de organelas e vesículas, podendo interferir com a penetração do parasito. Alguns trabalhos vêm sendo realizados visando analisar a expressão, localização e o papel de miosina e de actina em Leishamania. Estudos associados à participação destas proteínas motoras em processo vitais para a biologia do parasito podem auxiliar na compreensão de seu ciclo e permitir a geração de conhecimentos que apontem novos alvos para intervenções terapêuticas. Uma vez que a miosina é necessária no transporte intracelular, alguns estudos tentam analisar a expressão e a localização intracelular de miosinas na Leishmania. Estudos mostram a presença de atividades cinásicas do tipo CK2 em diversos tripanossomatídeos, ligadas ao crescimento celular, morfologia e infectividade de promastigotas para macrófagos. Desta maneira, como objetivo desta tese temos o estudo da participação das miosinas, actina e CK2 na infectividade da Leishmania braziliensis. Além disso, investigamos a influência destas proteínas na produção de citocinas pelos macrófagos e em sua atividade microbicida. Lipoxina, latrunculina, nocodazol e TBB promoveram uma inibição de, pelo menos, 50% no crescimento de L. braziliensis. A CK2 secretada pelo parasito foi purificada de seu sobrenadante através de coluna de HPLC e a fração 44 mostrou ser a fração correspondente a esta enzima. A lipoxina e o TBB promoveram a inibição da atividade desta enzima ao contrário da latrunculina que forneceu aumento dessa atividade. O pré-tratamento dos parasitos ou dos macrófagos com lipoxina, latrunculina, nocodazol e TBB promoveram uma inibição de cerca de 50% no índice de associação entre Leishmania e macrófagos não-ativados ou ativados por LPS e IFN-γ. Latrunculina e TBB aumentaram a produção de NO em macrófagos não ativados e não infectados enquanto que em macrófagos ativados à exceção do TBB, todas as drogas diminuíram a produção de NO. A liberação de IL-10 foi diminuída após tratamento com todas as drogas em macrófagos não ativados em ausência de promastigotas e ativados em presença do parasito. Para a produção de TNF-α há uma redução significativa em macrófagos ativados não infectados tratados com latrunculina, nocodazol e TBB. Quando ativados e infectados, os macrófagos tratados com lipoxina tiveram a produção dessa citocina aumentada, ao contrário do TBB em que houve redução. Quando avaliamos a integridade da actina verificamos que todos os compostos foram capazes de influenciar a distribuição dessa proteína, levando a uma redução no índice de associação. Ao transfectarmos a cauda da miosina Va fusionada a GFP nos macrófagos observamos que houve uma diminuição de 94% no índice de associação. Nossos dados confirmam a importância da CK2, actina e miosina Va no processo de interação parasito- macrófago.

Quality control autophagy: a joint effort of ubiquitin, protein deacetylase and actin cytoskeleton.

Autophagy has been predominantly studied as a nonselective self-digestion process that recycles macromolecules and produces energy in response to starvation. However, autophagy independent of nutrient status has long been known to exist. Recent evidence suggests that this form of autophagy enforces intracellular quality control by selectively disposing of aberrant protein aggregates and damaged organelles--common denominators in various forms of neurodegenerative diseases. By definition, this form of autophagy, termed quality-control (QC) autophagy, must be different from nutrient-regulated autophagy in substrate selectivity, regulation and function. We have recently identified the ubiquitin-binding deacetylase, HDAC6, as a key component that establishes QC. HDAC6 is not required for autophagy activation per se; rather, it is recruited to ubiquitinated autophagic substrates where it stimulates autophagosome-lysosome fusion by promoting F-actin remodeling in a cortactin-dependent manner. Remarkably, HDAC6 and cortactin are dispensable for starvation-induced autophagy. These findings reveal that autophagosomes associated with QC are molecularly and biochemically distinct from those associated with starvation autophagy, thereby providing a new molecular framework to understand the emerging complexity of autophagy and therapeutic potential of this unique machinery.

VCP/p97 is essential for maturation of ubiquitin-containing autophagosomes and this function is impaired by mutations that cause IBMPFD.

VCP (VCP/p97) is a ubiquitously expressed member of the AAA(+)-ATPase family of chaperone-like proteins that regulates numerous cellular processes including chromatin decondensation, homotypic membrane fusion and ubiquitin-dependent protein degradation by the proteasome. Mutations in VCP cause a multisystem degenerative disease consisting of inclusion body myopathy, Paget disease of bone, and frontotemporal dementia (IBMPFD). Here we show that VCP is essential for autophagosome maturation. We generated cells stably expressing dual-tagged LC3 (mCherry-EGFP-LC3) which permit monitoring of autophagosome maturation. We determined that VCP deficiency by RNAi-mediated knockdown or overexpression of dominant-negative VCP results in significant accumulation of immature autophagic vesicles, some of which are abnormally large, acidified and exhibit cathepsin B activity. Furthermore, expression of disease-associated VCP mutants (R155H and A232E) also causes this autophagy defect. VCP was found to be essential to autophagosome maturation under basal conditions and in cells challenged by proteasome inhibition, but not in cells challenged by starvation, suggesting that VCP might be selectively required for autophagic degradation of ubiquitinated substrates. Indeed, a high percentage of the accumulated autophagic vesicles contain ubiquitin-positive contents, a feature that is not observed in autophagic vesicles that accumulate following starvation or treatment with Bafilomycin A. Finally, we show accumulation of numerous, large LAMP-1 and LAMP-2-positive vacuoles and accumulation of LC3-II in myoblasts derived from patients with IBMPFD. We conclude that VCP is essential for maturation of ubiquitin-containing autophagosomes and that defect in this function may contribute to IBMPFD pathogenesis.

Effects of neuronal PIK3C3/Vps34 deletion on autophagy and beyond.

PIK3C3/Vps34 plays important roles in the endocytic and autophagic pathways, both of which are essential for maintaining neuronal integrity. However, it is unclear how inactivating PIK3C3 may affect neuronal endosomal versus autophagic processes in vivo. We generated a conditional null allele of the Pik3c3 gene in mouse, and specifically deleted it in postmitotic sensory neurons. Subsequent analyses reveal several interesting and surprising findings.

CD18-dependent activation of the neutrophil NADPH oxidase during phagocytosis of Escherichia coli or Staphylococcus aureus is regulated by class III but not class I or II PI3Ks

Phagocytosis and activation of the NADPH oxidase are important mechanisms by which neutrophils and macrophages engulf and kill microbial pathogens. We investigated the role of PI3K signaling pathways in the regulation of the oxidase during phagocytosis of Staphylococcus aureus and Escherichia coli by mouse and human neutrophils, a mouse macrophage-like cell line and a human myeloid-like cell line. Phagocytosis of these bacteria was promoted by serum, independent of serum-derived antibodies, and effectively abolished in mouse neutrophils lacking the beta(2)-integrin common chain, CD18. A combination of PI3K isoform-selective inhibitors, mouse knock-outs, and RNA-interference indicated CD18-dependent activation of the oxidase was independent of class I and II PI3Ks, but substantially dependent on the single class III isoform (Vps34). Class III PI3K was responsible for the synthesis of PtdIns( 3) P on phagosomes containing either bacteria. The use of mouse neutrophils carrying an appropriate knock-in mutation indicated that PtdIns(3) P binding to the PX domain of their p40(phox) oxidase subunit is important for oxidase activation in response to both S aureus and E coli. This interaction does not, however, account for all the PI3K sensitivity of these responses, particularly the oxidase response to E coli, suggesting that additional mechanisms for PtdIns( 3) P-regulation of the oxidase must exist. ( Blood. 2008; 112: 5202-5211)

Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy in higher eukaryotes.

Research in autophagy continues to accelerate,(1) and as a result many new scientists are entering the field. Accordingly, it is important to establish a standard set of criteria for monitoring macroautophagy in different organisms. Recent reviews have described the range of assays that have been used for this purpose.(2,3) There are many useful and convenient methods that can be used to monitor macroautophagy in yeast, but relatively few in other model systems, and there is much confusion regarding acceptable methods to measure macroautophagy in higher eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers of autophagosomes versus those that measure flux through the autophagy pathway; thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from fully functional autophagy that includes delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes) or the vacuole (in plants and fungi). Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of the methods that can be used by investigators who are attempting to examine macroautophagy and related processes, as well as by reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that investigate these processes. This set of guidelines is not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to verify an autophagic response.

Caractérisation moléculaire de la modulation spatio-temporelle des fonctions du phagosome

La phagocytose est un processus par lequel des cellules spécialisées du système immunitaire comme les macrophages ingèrent des microorganismes envahisseurs afin de les détruire. Les microbes phagocytés se retrouvent dans un compartiment intracellulaire nommé le phagosome, qui acquiert graduellement de nombreuses molécules lui permettant de se transformer en phagolysosome possédant la capacité de tuer et dégrader son contenu. L’utilisation de la protéomique a permis de mettre en évidence la présence de microdomaines (aussi nommés radeaux lipidiques ou radeaux membranaires) sur les phagosomes des macrophages. Notre équipe a démontré que ces radeaux exercent des fonctions cruciales au niveau de la membrane du phagosome. D’abord nous avons observé que la survie du parasite intracellulaire L. donovani est possible dans un phagosome dépourvu de radeaux lipidiques. Parallèlement nous avons constaté qu’un mutant de L. donovani n’exprimant pas de LPG à sa surface(LPG-) est rapidement tué dans un phagosome arborant des radeaux membranaires. Pour comprendre le mécanisme de perturbation des microdomaines du phagosome par la molécule LPG, nous avons provoqué la phagocytose de mutants LPG- du parasite et comparé par microscopie les différences avec le parasite de type sauvage. Nous avons ainsi démontré que le LPG de L. donovani est nécessaire et suffisant au parasite pour empêcher la maturation normale du phagosome. Nous avons également découvert que la molécule LPG permet d’empêcher la formation des radeaux lipidiques sur le phagosome et peut aussi désorganiser les radeaux lipidiques préexistants. Enfin, nous avons montré que l’action de LPG est proportionnelle au nombre d’unités répétitives de sucres (Gal(β1,4)-Manα1-PO4) qui composent cette molécule. Nos travaux ont démontré pour la première fois le rôle important de ces sous-domaines membranaires dans la maturation du phagosome. De plus, nos conclusions seront des pistes à suivre au cours des études cliniques ayant pour but d’enrayer la leishmaniose. Le second objectif de ce travail consistait à effectuer la caractérisation des radeaux lipidiques par une analyse protéomique et lipidomique à l’aide de la spectrométrie de masse. Nous avons ainsi entrepris l’identification systématique des protéines présentes dans les radeaux membranaires des phagosomes et ce, à trois moments clés de leurmaturation. Le traitement des phagosomes purifiés avec un détergent nous a permis d’isoler les «Detergent Resistent Membranes» (DRMs) des phagosomes, qui sont l’équivalent biochimique des radeaux membranaires. Nous avons ainsi établi une liste de 921 protéines associées au phagosome, dont 352 sont présentes dans les DRMs. Les protéines du phagosome sont partagées presque également entre trois tendances cinétiques (augmentation, diminution et présence transitoire). Cependant, une analyse plus spécifique des protéines des DRMs démontre qu’une majorité d’entre elles augmentent en fonction de la maturation. Cette observation ainsi que certains de nos résultats montrent que les radeaux lipidiques des phagosomes précoces sont soit très peu nombreux, soit pauvres en protéines, et qu’ils sont recrutés au cours de la maturation du phagosome. Nous avons aussi analysé les phospholipides du phagosome et constaté que la proportion entre chaque classe varie lors de la maturation. De plus, en regardant spécifiquement les différentes espèces de phospholipides nous avons constaté que ce ne sont pas uniquement les espèces majoritaires de la cellule qui dominent la composition de la membrane du phagosome. L’ensemble de nos résultats a permis de mettre en évidence plusieurs fonctions potentielles des radeaux lipidiques, lesquelles sont essentielles à la biogenèse des phagolysosomes (signalisation, fusion membranaire, action microbicide, transport transmembranaire, remodelage de l’actine). De plus, la cinétique d’acquisition des protéines de radeaux lipidiques indique que ceux-ci exerceraient leurs fonctions principalement au niveau des phagosomes ayant atteint un certain niveau de maturation. L’augmentation du nombre de protéines des radeaux membranaires qui s’effectue durant la maturation du phagosome s’accompagne d’une modulation des phospholipides, ce qui laisse penser que les radeaux membranaires se forment graduellement sur le phagosome et que ce ne sont pas seulement les protéines qui sont importées.

Étude des voies d’apprêtement des antigènes viraux menant à la présentation antigénique par les CMH de classe I

Le contrôle immunitaire des infections virales est effectué, en grande partie, par les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Pour y parvenir, les lymphocytes T CD8+ doivent être en mesure de reconnaître les cellules infectées et de les éliminer. Cette reconnaissance des cellules infectées s’effectue par l’interaction du récepteur T (TCR) des lymphocytes T CD8+ et des peptides viraux associés au complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe I à la surface des cellules hôtes. Cette interaction constitue l’élément déclencheur permettant l’élimination de la cellule infectée. On comprend donc toute l’importance des mécanismes cellulaires menant à la génération des peptides antigéniques à partir des protéines virales produites au cours d’une infection. La vision traditionnelle de cet apprêtement protéique menant à la présentation d’antigènes par les molécules du CMH propose deux voies cataboliques distinctes. En effet, il est largement admis que les antigènes endogènes sont apprêtés par la voie dite ‘‘classique’’ de présentation antigénique par les CMH de classe I. Cette voie implique la dégradation des antigènes intracellulaires par le protéasome dans le cytoplasme, le transport des peptides résultant de cette dégradation à l’intérieur du réticulum endoplasmique, leur chargement sur les molécules du CMH de classe I et finalement le transport des complexes peptide-CMH à la surface de la cellule où ils pourront activer les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde voie impliquant des antigènes exogènes, le dogme veut que ceux-ci soient apprêtés par les protéases du compartiment endovacuolaire. Les peptides ainsi générés sont directement chargés sur les molécules de CMH de classe II à l’intérieur de ce compartiment. Par la suite, des mécanismes de recyclage vésiculaire assurent le transport des complexes peptide-CMH de classe II à la surface de la cellule afin de stimuler les lymphocytes T CD4+. Cependant, cette stricte ségrégation des voies d’apprêtement antigénique a été durement éprouvée par la capacité des cellules présentatrices d’antigènes à effectuer l’apprêtement d’antigènes exogènes et permettre leur présentation sur des molécules de CMH de classe I. De plus, l’identification récente de peptides d’origine intracellulaire associés à des molécules de CMH de classe II a clairement indiqué la présence d’interactions entre les deux voies d’apprêtement antigénique permettant de transgresser le dogme préalablement établi. L’objectif du travail présenté ici était de caractériser les voies d’apprêtement antigénique menant à la présentation d’antigènes viraux par les molécules du CMH de classe I lors d’une infection par le virus de l’Herpès simplex de type I (HSV-1). Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons une nouvelle voie d’apprêtement antigénique résultant de la formation d’autophagosomes dans les cellules infectées. Cette nouvelle voie permet le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire dégradatif dans la phase tardive de l’infection par le virus HSV-1. Cette mise en branle d’une seconde voie d’apprêtement antigénique permet d’augmenter le niveau de présentation de la glycoprotéine B (gB) virale utilisée comme modèle dans cette étude. De plus, nos résultats décrivent la formation d’une nouvelle forme d’autophagosomes dérivés de l’enveloppe nucléaire en réponse à l’infection par le virus HSV-1. Ces nouveaux autophagosomes permettent le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire lytique, action également assurée par les autophagosomes dits classiques. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous utilisons l’infection par le virus HSV-1 et la production de la gB qui en résulte pour étudier le trafic membranaire permettant le transfert de la gB vers un compartiment vacuolaire dégradatif. Nos résultats mettent en valeur l’importance du réticulum endoplasmique, et des compartiments autophagiques qui en dérivent, dans ces mécanismes de transfert antigénique permettant d’amplifier la présentation antigénique de la protéine virale gB sur des CMH de classe I via une voie vacuolaire. L’ensemble de nos résultats démontrent également une étroite collaboration entre la voie classique de présentation antigénique par les CMH de classe I et la voie vacuolaire soulignant, encore une fois, la présence d’interaction entre les deux voies.

L'évolution du phagosome

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique.

Unveiling the components of the signaling pathway between endosomes and the phagocytic uptake machinery in Dictyostelium discoideum

The soil amoebae Dictyostelium discoideum take up particles from their environment in order to obtain nutrition. The particle transits through the cell within a phagosome that fuses with organelles of different molecular compositions, undergoing a gradual degradation by different sets of hydrolytic enzymes. Griffiths’ concept of “phagosome individuality” predicts signaling from phagosomes into the cytoplasm, which might regulate many aspects of cell physiology. The finding that Dictyostelium cells depleted of the lysozyme AlyA or over-expressing the esterase Gp70 exhibit increased uptake of food particles, led to the postulation of a signaling cascade between endocytic compartments and the cytoskeletal uptake machinery at the plasma membrane. Assuming that Gp70 acts downstream of AlyA, gene-expression profiling of both mutants revealed different and overlapping sets of misregulated genes that might participate in this signaling cascade. Based on these results, we analyzed the effects of the artificial misregulation of six candidate genes by over-expression or negative genetic interference, in order to reconstruct at least part of the signaling pathway. SSB420 and SSL793 were chosen as candidates for the first signaling step, as they were up-regulated in AlyA-null cells and remained unaltered in the Gp70 over-expressing cells. The over-expression of SSB420 enhanced phagocytosis and raised the expression levels of Gp70, supporting its involvement in the signaling pathway between AlyA and Gp70 as a positive regulator of phagocytosis. However, this was not the case of cells over-expressing SSL793, as this mutation had no effects on phagocytosis. For the signaling downstream of Gp70, we studied four commonly misregulated genes in AlyA-depleted and Gp70 over-expressing cells. The expression levels of SLB350, SSB389 and TipD were lower in both mutants and therefore these were assumed as possible candidates for the negative regulation of phagocytosis. Cells depleted of SLB350 exhibited an increased phagocytic activity and no effect on Gp70 expression, proving its participation in the signaling pathway downstream of Gp70. Unlike SLB350, the disruption of the genes coding for SSB389 and TipD had no effects on particle uptake, excluding them from the pathway. The fourth candidate was Yipf1, the only gene that was commonly up-regulated in both mutants. Yet, the artificial over-expression of this protein had no effects on phagocytosis, so this candidate is also not included in the signaling pathway. Furthermore, localizing the products of the candidate genes within the cell helped unveiling several cellular organelles that receive signals from the phagosome and transduce them towards the uptake machinery.