Phenotypic and molecular characterization of Bruck syndrome (Osteogenesis imperfecta with contractures of the large joints) caused by a recessive mutation in PLOD2

Le Syndrome de Bruck (Bruck Syndrome; BS) est une maladie autosomique récessive assemblant la combinaison inhabituelle de fragilité osseuse semblable à celle de l'Ostéogenèse Imparfaite (0I) avec des contractures congénitales tendineuses et cutanées des grandes articulations («ptérygia»). Les cas décrits jusqu'à ce jour mettent en évidence une grande hétérogénéité du tableau clinique, liée en partie au manque d'un diagnostic biochimique ou moléculaire. Nous savons que dans le BS les gènes codant pour le collagène 1 ne sont pas mutés, mais savons néanmoins, grâce à l'étude du collagène extrait de biopsies osseuses, qu'il y a un déficit d'hydroxylation des résidus de lysine dans les télopeptides du collagène 1 qui servent à la formation des liens intermoléculaires (crosslinks) et donc à la stabilisation des fibres de collagène. Un locus génétique du BS à été mappé sur 17q12, mais le gène responsable sur ce locus reste inconnu; plus récemment, deux mutations dans le gène de la lysyl hydroxylase 2 (PLOD2, position chromosomique 3q23-q24) ont été identifiées, démontrant l'hétérogénéité génétique du ES. La proportion de ES liée à 17p22 (BS type 1) et celle liée à une mutation dans PLOD2 (BS type 2) est encore incertaine et nous manquons de données sur la corrélation phenotype-génotype. Nous avons étudié le cas d'un garçon avec des contractures et des ptérygia dès la naissance, combinées à une ostéopénie sévère de type OI menant à des fractures multiples. Ses urines contenaient une quantité élevée d'hydroxyproline, indiquant un remaniement important du tissu osseux, mais peu de produits de dégradation des crosslinks du collagène, indiquant donc une réduction de la proportion de crosslinks dans le collagène in vivo. Nous avons pu démontrer chez lui la présence d'une nouvelle mutation homozygote dans le gène PLOD2 menant à une substitution Arg598His; les deux parents du sujet étaient hétérozygotes pour la mutation et celle-ci était absente dans notre population témoin. La mutation est adjacente aux deux mutations rapportées précédemment (Gly601Val et Thr608Ile), ce qui suggère la présence d'un ''hotspot'' mutationnel mais aussi d'une région de grande importance fonctionnelle sur PLOD2 : cette observation est importante pour la création d'inhibiteurs de PLOD2, recherchés en ce moment pour le traitement de la fibrose. La combinaison de ptérygia et de fragilité osseuse, comme illustrée par notre patient est apparemment contradictoire et donc difficilement explicable mais indique que l'hydroxylation des résidus lysyl des télopeptides est importante non seulement pour la stabilité osseuse mais aussi dans la morphogénèse et la formation des articulations dans la période prénatale. Finalement, la mesure des produits de dégradation du collagène dans l'urine et l'analyse de mutation de PLOD2 permet le diagnostic du syndrome de Bruck et permet de le différencier de l'Osteogénèse Imparfaite. -- Bruck syndrome (BS) is a recessively-inherited phenotypic disorder featuring the unusual combination of skeletal changes resembling osteogenesis imperfecta (0I) with congenital contractures of the large joints. Clinical heterogeneity is apparent in cases reported thus far. While the genes coding for collagen 1 chains are unaffected in BS, there is biochemical evidence for a defect in the hydroxylation of lysine residues in collagen 1 telopeptides. One BS locus has been mapped at 17p12, but more recently, two mutations in the lysyl hydroxylase 2 gene (PLOD2, 3q23-q24) have been identified in BS, showing genetic heterogeneity. The proportion of BS cases linked to 17p22 (BS type 1) or caused by mutations in PLOD2 (BS type 2) is still uncertain, and phenotypic correlations are lacking. We report on a boy who had congenital contractures with pterygia at birth and severe 0I-like osteopenia and multiple frac-tures. His urine contained high amounts of hydroxyproline but low amounts of collagen crosslinks degradation products; and he was shown to be homozygous for a novel mutation leading to an Arg598His substitution in PLOD2. The mutation is adjacent to the two mutations previously reported (Gly601Val and Thr608Ile), suggesting a functionally important hotspot in PLOD2. The combination of pterygia with bone fragility, as illustrated by this case, is difficult to explain; it suggests that telopeptide lysyl hydroxylation must be involved in prenatal joint formation and morphogenesis. Collagen degradation products in urine and mutation analysis ofPLOD2 maybe used to diagnose BS and differentiate it from M.

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Analysis of c-Myc function in mouse epidermis

Abstract The c-myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes found in human tumors. c-Myc has been implicated in the regulation of various biological processes including cell cycle progression, cellular growth, differentiation, angiogenesis, immortalization and apoptosis. To assess the normal role of c-Myc in epithelial cell types in vitro and in vivo we have deleted the c-myc gene in keratinocytes and in the adult skin epidermis by conditional Cre/loxP mediated recombination. Similar to what we have previously shown in mouse embryonic fibroblasts acute elimination of c-Myc activity in cultured keratinocytes causes cells to cease proliferation and adapt a flat cell morphology. Mutant cells accumulate in a diploid Ki67neg stage, indicative of a quiescent Go stage. This demonstrates that c-Myc activity is essential to maintain keratinocytes in a productive cell cycle. In addition, mutant keratinocytes showed a defect in Ca2+ induced induction of the differentiation marker Keratin 1 suggesting a role for c-Myc during differentiation. To assess the in vivo role of c-Myc we used a tamoxifen inducible K5::CreERT transgene to delete the c-myc gene in the adult skin epidermis. Unexpectedly, despite strong c-Myc expression in the basal compartment it is not required for maintenance of the skin epidermis in the adult mouse. The epidermis appeared normal with respect to both proliferation and differentiation. In addition, no selection against c-Myc deficient epidermal cells occurred over many months, further confirming that c-Myc is dispensable for normal skin homeostasis. Even more surprising, TPA induced hyperproliferation also occurred in a c-Myc independent manner. Treatment of the skin with the mutagen DMBA prior to TPA is a classical way to induce papillomas by selecting for mutations that lead to dominant activation of the oncogene Ha-Ras. Most interestingly tumor formation was severely inhibited suggesting that tumor progression requires endogenous c-Myc. Further studies are required to address whether the role of c-Myc in the activation of telomerase or the Werner protein, or its role to induce angiogenesis is required for skin tumor progression, In conclusion, this work shows that while c-Myc is not required for maintenance or hyperplasia of mouse epidermis, it is essential for skin tumor progression in collaboration with Ras. Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. c-Myc est impliqué dans la régulation de processus biologiques variés, comme la progression du cycle cellulaire, la croissance cellulaire, la différenciation, l'angiogenèse, l'immortalisation et l'apoptose. Pour caractériser le rôle physiologique de c-Myc dans les cellules de type épithélial in vitro et in vivo, le gène c-myc a été délété dans des kératinocytes primaires et dans l'épiderme de peau de souris adultes par des recombinaisons conditionnelles (système Cre/loxP). De la même façon que dans les fibroblastes d'embryon de souris, l'élimination aiguë de l'activité de c-Myc dans les kératinocytes en culture primaire provoque l'arrêt de la prolifération des cellules et leur applatissement morphologique. Les cellules mutantes restent dans un stade diploïde Ki67neg, indiquant un stade quiescent Go. Cela démontre que l'activité de c-Myc est essentielle pour maintenir les kératinocytes dans le cycle cellulaire. De plus, les kératinocytes mutants montrent une déficience pour le marqueur de différenciation Kératine 1 au cours de la différenciation induite par le calcium, suggérant un rôle de c-Myc dans la différenciation cellulaire. Pour comprendre le rôle de c-Myc in vivo, le transgène K5::CreERT inductible par le tamoxifen a été utilisé pour déléter le gène c-inyc dans l'épiderme de souris adultes. Etonnemment, malgré une forte expression de c-Myc dans le compartiment basal de l'épiderme, ce gène n'est pas nécessaire pour la maintenance de l'épiderme de la peau chez la souris adulte. L'épiderme apparait normal avec une prolifération et une différenciation physiologique des cellules. De plus, il n'y a pas de sélection contre les cellules épidennales c-Myc déficientes après plusieurs mois, ce qui confirme que c-Myc n'est pas nécessaire pour l'homéostasie normale de la peau. Encore plus surprenant, une hyperprolifération est également induite par du TPA chez les souris mutantes, impliquant une voie de prolifération indépendante de c-Myc. Le traitement de la peau par le mutagène DMBA avant le traitement au TPA est une voie classique d'induction de papillomes, par sélection de mutations conduisant à l'activation de l'oncogène Ha-Ras. La formation des tumeurs est fortement inhibée chez les souris mutantes, suggérant que la progression des tumeurs nécessite la présence endogène de c-Myc. De nouvelles études sont nécessaires pour savoir si c-Myc a un rôle dans l'activation de la télomérase ou de la protéine de Werner, ou encore dans l'angiogénèse, qui sont nécessaires pour la progression tumorale. En conclusion, ce travail montre que même si c-Myc n'est pas nécessaire pour la maintenance ou l'hyperplasie de la peau de souris, il est essentiel pour la progression des tumeurs de la peau en collaboration avec Ras.

Genetic dissection of c-Myc function during mouse organogenesis

Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. Même si plus de 70 % des cancers humains montrent une dérégulation de c-Myc, les connaissances sur son rôle physiologique pendant le développement, et dans la souris adulte restent très peu connus. Récemment, notre laboratoire a pu montrer que c-Myc contrôle l'équilibre entre le renouvellement et la différenciation des cellules souches hématopoïetiques (CSH) dans la souris adulte. Ceci est probablement dû à lacapacité de c-Myc de contrôler l'entrée et la sortie des CSH de leur niche de la moelle osseuse, en régulant plusieurs molécules d'adhésion, parmi lesquelles la cadhérine-N (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp, 2006). Des études utilisant un mutant d'inactivation ont demontré que la protéine c-Myc est essentielle pour le développement au delà du jour embryonnaire E9.5. Les embryons c-Myc déficients sont plus petits que la normale et possèdent de nombreux défauts; en particulier ils ne peuvent établir un système hématopoietique embryonnaire primitif (Trumpp et al., 2001). Nous avons récemment découvert que le développement du placenta dépend de la présence de cMyc. Ceci permet de proposer que certains, sinon tous, les défauts embryonnaires puorraient dériver indirectement d'un défaut nutritionnel causé par la défaillance du placenta. Afin de répondre à cette question de manière génétique, nous avons utilisé l'allele conditionel c-mycflox (Trumpp et al., 2001) en combinaison avec l'allele Sox2-Cre (Hayashi et al., 2002). Celui-ci détermine l'expression de la récombinase Cre spécifiquement dans les cellules de l'épiblaste à partir de E6.5, tandis qu'il n'y a pas, ou seulement très peu, d'activité de la récombinase Cre dans les tissus extraembryonnaires.Alnsi, cette stratégie nous permet de générer des embryons sans c-Myc qui se développent en présence d'un compartment extraembryonnaire ou c-Myc est exprimé normalement (Sox2Cre;c-mycflox2) Ces embryons, Sox2Cre;c-mycflox2 se développent et grandissent normalement tout en formant un système vasculaire normal, mais meurent à E11.5 à cause d'un sévère manque de cellules hématopoïetiques. De façon très intéressante, la seule population qui semble être présente en nombre à peu près normal dans ces embryons est celle des précurseurs et des cellules souches. Les cellules qui forment cette population prolifèrent normalement mais ne peuvent pas former des colonies in vitro, ce qui montre que ces cellules ont perdu leur activité de cellules souches. Cependant, lorsque nous avons analysé ces cellules plus en détail en éxaminant l'expression des molécules d'intégrine nous avons découvert que l'integrine ß est sur-éxprimée à la surface des cellules c-Myc déficientes. Ceci pourrait indiquer un mécanisme par lequel c-Myc régule des molécules d'adhésion sur les cellules du sang. En conséquence, en absence de c-Myc, l'adhésion et la migration des cellules du sang de l'AGM (Aorte-Gonade-Mésonéphros) vers le foie de l'embryon, à travers le système vasculaire, est compromise. En outre, nous avons pu montrer que les hépatocytes du foie, qui constitue le site principal de formation des cellules hématopoïetiques pendant le développement, est sévèrement atteint dans des Sox2Cre;c-mycflox2 embryons. Ceci n'est pas du à un défaut propre aux cellules hépatiques qui ont perdu c-Myc, mais résulte plutôt de l'absence de cellules hématopoietïques qui normalement colonisent le foie à ce stade du développement. Ces résultats représentent la première preuve directe que le développement des hépatoblastes est dépendant de signaux provenant des cellules du sang. Summary The myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes in human tumors. It is found to be mis-regulated in over 70% of all human cancers. However, our knowledge about its physiological role in mammalian development and adulthood remains limited. Recent work in our laboratory showed that c-Myc controls the balance between hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and differentiation in the adult mouse. This is likely due to the capacity of c-Myc to control entry and exit of HSCs from the bone marrow niche by regulating a number of cell adhesion molecules including N-cadherin (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp 2006). During development knockout studies showed that c-Myc is required for embryonic development beyond embryonic day (E) 9.5. c-Myc deficient embryos are severely reduced in size and show multiple defects including the failure to establish a primitive hematopoietic system (Trumpp et al., 2001). Importantly, we recentry uncovered that placental development also seems to depend on normal c-Myc function, raising the possibility that some if not all of the embryonic defects observed could be mediated indirectly by a nutrition defect caused by placental failure. To address this possibility genetically, we took advantage of the conditional c-mycflox allele (Trumpp et al., 2001) in combination with the Sox2-Cre allele (Hayashi et al., 2002), in which Cre expression is specifically targeted to all epiblast cells by E6.5, while there is little or no Cre activity inextra-embryonic lineages. Thus, this strategy allows the generation of c-Myc deficient embryos, which develop within a normal c-Myc expressing extra-embryonic compartment (Sox2Cre;c-mycflox2) Such Sox2Cre;c-mycflox2 embryos develop and grow appropriately and form a normal vascular system but die at E11.5 due to a severe lack of blood cells. Interestingly, the only hematopoietic population that seems to be present in almost normal numbers in the embryo is the stem/progenitor cell population. Cells within this populatíon proliferate normal but can not give rise to hematopoietic colonies in vitro showing that functional hematopoietic stem cell (HSC) activity is lost. However, when we analyzed these phenotypic HSCs in more detail and examined integrin expression in mutant stem/progenitor cells, we observed that ß1-integrin is upregulated. This may point to a potential mechanism whereby c-Myc regulates adhesíon molecules on hematopoietic cells and thereby disturbs adhesion and migration from the AGM (aorta-gonads-mesonephros) through the vascular system to the liver. Furthermore, we uncovered that the fetal liver, the main site of hematopoietic expansion at that stage, is severely affected in Sox2Cre;c-mycflox2 embryos and that this is not due to a cell intrinsic defect of c-Myc deficient hepatocytes but rather due to the lack of hematopoietic cells that normally colonize the fetal liver at that stage of development. This provides first direct evidence that hepatoblast development depends on signals derived from blood cells.

Molecular and cellular analysis of genodermatoses

Summary Skin is the essential interface between our body and its environment; not only does it prevent water loss and protect us from external insults it also plays an essential role in the central nervous system acting as a major sense organ primarily for touch and pain. The main cell type present in skin, keratinocyte, undergoes a differentiation process leading to the formation of this protecting barrier. This work is intended to contribute to the understanding of how keratinocyte differentiates and skin functions. To do this, we studied two genetic skin diseases: Erythrokeratodermia variabilis and Mal de Meleda. Our approach was to examine the expression and localization of proteins implicated in these two pathologies in normal and diseased tissues and to determine the influence of mutant proteins at the molecular and cellular levels. Connexins are major components of gap junctions, channels allowing direct communication between cells. Our laboratory has identified mutations in both connexin 30.3 (Cx30.3) and 31 (Cx31) to be causally involved in erythrokeratodermia variabilis (EKV), an autosomal dominant disorder of keratinization. In the first chapter, we show a new mutation of Cx31, L209P-Cx31, in 3 EKV patients, extending the field of EKV-causing mutations although the mechanism by which connexin mutations lead to the disease is unclear. In the second chapter, we studied the effect of F137L-Cx30.3 on expression, trafficking and localization of cotransfected Cx31 and Cx30.3 in connexin-deficient HeLa cells. The F137 amino acid, highly conserved in connexin family, is oriented towards the channel pore and F137L mutation in either Cx30.3 or Cx31 lead to EKV. As two genes can lead to EKV when mutated, our hypothesis was that Cx31 and Cx30.3 might cooperate at a molecular level. We were able to demonstrate a physical interaction between Cx31 and Cx30.3. The presence of F137L-Cx30.3 disturbed the trafficking of both connexins, less connexins were integrated into gap junctions and thus, the coupling between cell was diminished. Connexins formed in the presence of F137L-Cx30.3 are degraded at their exit from the endoplasmic reticulum. In conclusion, our results indicate that the genetic heterogeneity of EKV is due to mutations in two interacting proteins. F137L-Cx30.3 has a dominant negative effect and affects Cx31, disturbing cellular communication in epidermal cells. Mal de Meleda is an autosomal recessive inflammatory and a keratotic palmoplantar skin disorder due to mutations in SLURP1 (secreted LY6/PLAUR-related protein 1). SLURP1 belongs to the LY6/PLAUR family of proteins and has the particularity of being secreted instead of being GPI-anchored. The high degree of structural similarity between SLURP1 and the three fingers motif of snake neurotoxins and LYNX 1-C suggests that this protein could interact with the neuronal acetylcholine receptors. In the third chapter, we show that SLURP1 potentiates responses of the a7 nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) to acetylcholine. These results identify SLURP1 as a secreted epidermal neuromodulator that is likely to be essential for palmoplantar skin. In the fourth chapter, we show that SLURP1 is expressed in the granular layer of the epidermis but is absent from skin biopsies of Mal de Meleda patients. SLURP1 is also present in secretions such as sweat, tears or saliva. An in vitro analysis on two mutant of SLURP-I demonstrates that W15R-SLURP1 is absent in cells while G86R-SLURP1 is expressed and secreted, suggesting that SLURP1 can lead to the disease by either an absent or an abnormal protein. Finally, in the fifth chapter, we analyse the expression and biological properties of other LY6/PLAUR members, clustered around SLURP] on chromosome 8. Their GPI-anchored or secreted status were analysed in vitro. SLURP1, LYNX1-A and -B are secreted while LYPDC2 and LYNX 1-C are GPI anchored. Three of these proteins are expressed in the epidermis and in cultured keratinocytes. These results suggest that these LY6/PLAUR members may have an important role in skin homeostasis. Résumé Résumé La peau est la barrière essentielle entre notre corps et l'environnement, nous protégeant des agressions extérieures, de la déshydratation et assurant aussi un rôle dans le système nerveux central en tant qu'organe du toucher et de la douleur. Le principal type de cellules présent dans la peau est le kératinocyte qui suit un processus de différenciation aboutissant à la formation de cette barrière protectrice. Ce travail est destiné à comprendre la différenciation des kératinocytes et le fonctionnement de la peau. Pour cela, nous avons étudié deux maladies génodermatoses : l'Erthrokeratodermia Variabilis (EKV) et le Mal de Meleda. Nous avons examiné l'expression et la localisation des protéines impliquées dans ces deux pathologies dans des tissus normaux et malades puis déterminé l'influence des protéines mutantes aux niveaux moléculaires et cellulaires. Les connexines (Cx) sont les composants majeurs des jonctions communicantes, canaux permettant la communication directe entre les cellules. Notre laboratoire a identifié des mutations dans les Cx30.3 et Cx31 comme responsables de l'EKV, génodermatose de transmission autosomique dominante. Dans le ler chapitre, nous décrivons une nouvelle mutation de Cx31, L209-Cx31, et contribuons à l'établissement du catalogue des mutations de Cx31 entraînant cette maladie. Cependant, le mécanisme par lequel les mutations de Cx31 et C3x0.3 provoquent l'EKV est inconnu. Dans le 2ème chapitre, nous étudions les effets de la mutation F137L-Cx30.3 sur l'expression, le trafic et la localisation des Cx31 et Cx30.3 transfectées dans des cellules HeLa, déficientes en connexines. Comme deux gènes peuvent causer une EKV quand ils sont mutés, notre hypothèse était que Cx31 et Cx30.3 pourraient coopérer au niveau moléculaire. Nous avons montré l'existence d'une interaction physique entre ces deux connexines. La présence de la mutation F137L-Cx30.3 perturbe le trafic des deux connexines, moins de connexines sont intégrées dans les jonctions communicantes et donc le couplage entre les cellules est diminué. Les connexons formés en présence de cette mutation sont dégradés à leur sortie du réticulum endoplasmique. En conclusion, nos résultats indiquent que l'hétérogénéité génétique de EKV est due à des mutations dans deux protéines qui interagissent. F137L-Cx30.3 a un effet dominant négatif et affecte Cx31, perturbant la communication entre les cellules épidermiques. Le Mal de Meleda est une maladie récessive de la peau palmoplantaire due à des mutations dans SLURP1. SLURP1 appartient à la famille des protéines contenant un domaine LY6/PLAUR et a la particularité d'être sécrétée. La grande homologie de structure existant entre SLURP1, les neurotoxines de serpent et LYNX1-C suggère que la protéine pourrait interagir avec des récepteurs à acétylcholine (Ach). Dans le 3ème chapitre, nous montrons que SLURP1 module la réponse à l'Ach du récepteur nicotinique α7. Ces résultats identifient SLURP1 comme un neuromodulateur épidermique sécrété, probablement essentiel pour la peau palmoplantaire. Dans le 4ème chapitre, nous montrons que SLURP1 est exprimé dans la couche granuleuse de l'épiderme et qu'il est absent des biopsies des patients. SLURP1 a aussi été détecté dans des sécrétions telles que la sueur, les lamies et la salive. Une analyse in vitro de deux mutants de SLURP1 a montré que W15R-SLURP1 est absent des cellules tandis que G86R-SLURP1 est exprimé et sécrété, suggérant qu'une absence ou une anomalie de SLURP1 peuvent causer la maladie. Finalement, dans le 5ème chapitre, nous analysons l'expression et les propriétés biologiques d'autres membres de la famille LY6/PLAUR localisés autour de SLURP1 sur le chromosome 8. Leur statut de protéines sécrétées ou liées à la membrane par une ancre GPI est analysé in vitro. SLURP1, LYNXI-A et -B sont sécrétées alors que LYPDC2 et LYNX1-C sont liés à la membrane. Trois de ces protéines sont exprimées dans l'épiderme et dans des kératinocytes cultivés. Ces résultats suggèrent que la famille LY6/PLAUR pourrait avoir un rôle important dans l'homéostasie de la peau.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

Clinical proteomics : a focus on transformed human T and B lymphocytes

Résumé large public La protéomique clinique est une discipline qui vise l'étude des protéines dans un but diagnostique ou thérapeutique. Nous avons utilisé cette approche pour étudier les lymphocytes T «tueurs » ou cytotoxiques qui font partie des globules blancs du système sanguin et agissent dans la lutte contre les infections et les tumeurs. Ces cellules sont impliquées dans l'immunothérapie cellulaire qui se fonde sur la capacité naturelle des ces lymphocytes à repérer les cellules tumorales et à les détruire. L'introduction du gène de la télomérase dans les lymphocytes T résulte en une prolongation de leur longévité, ce qui en ferait des candidats intéressants pour l'immunothérapie cellulaire. Il subsiste cependant des doutes quant aux conséquences de l'utilisation de ces lymphocytes «immortalisés ». Pour répondre à cette question, nous avons comparé le profile protéique de lymphocytes T cytotoxiques «jeunes » et vieux » avec celui des lymphocytes «immortalisés ». Nous avons trouvé que ces derniers présentent une double face et partagent à la fois les caractéristiques de la jeunesse et de la vieillesse. Dans une seconde étude de protéomique clinique, nous nous sommes penchés sur les lymphocytes B «immortalisés » cette fois-ci non pas avec la télomérase, mais avec le virus d'Epstein-Barr. Ces derniers sont utilisés comme modèle dans l'étude de la leucodystrophie, une maladie génétique rare qui affecte le cerveau. Notre but est d'identifier des marqueurs biologiques potentiels qui pourraient aider le diagnostic et le traitement de cette maladie neurodégénérative. Nous avons pour ce faire comparé les profiles protéiques des lymphocytes B «immortalisés » provenant d'individus sains et malades. Malheureusement, notre analyse n'a pas révélé de différences notoires entre ces deux classes de lymphocytes. Ceci nous permet toutefois de conclure que la maladie n'affecte pas la synthèse des protéines de manière prépondérante dans ces cellules sanguines. En résumé, le travail présenté dans cette thèse montre à la fois le potentiel et les limites de l'analyse des protéines lymphocytaires, dans différentes situations biologiques. Résumé La protéomique clinique ouvre la porte vers de multiples horizons relatifs au traitement de diverses maladies. Ce domaine particulier alliant la protéomique à la médecine, implique l'intervention de la biologie moléculaire et cellulaire. Dans notre étude, nous nous sommes d'abord intéressés aux lymphocytes T CD8+ cytotoxiques dans le contexte de l'immunothérapie adoptive. Le fondement de cette thérapie repose sur la capacité naturelle de ces lymphocytes à reconnaître les cellules tumorales et à les détruire chez les patients atteints de cancer. L'introduction du gène de la transcriptase réverse de la télomérase (hTERT) dans les lymphocytes T humains permet de rallonger leur durée de vie, sans toutefois induire d'altérations liées à la transformation. Cependant, des incertitudes subsistent quant à la ressemblance physiologique et biochimique entre ces cellules surexprirnant la télomérase et les cellules normales. Afin de répondre à cette question, nous avons comparé l'expression des protéines de lymphocytes humains T CD8+ «jeunes » et «vieux »avec celle de lymphocytes transduits avec hTERT. Nous avons trouvé que les lymphocytes T surexprimant la télomérase ont un profile protéique intermédiaire, avec certaines expressions protéiques similaires aux jeunes cellules T et d'autres se rapprochant des cellules vieilles. Dans la seconde partie de notre étude, nous nous sommes intéressés aux lymphocytes B transformés avec le virus d'Epstein-Barr provenant de patients atteints d'une maladie génétique rare du cerveau, la leucodystrophie. Dans cette maladie, des mutations dans le facteur de transcription eIF2B, impliqué dans la synthèse protéique, ont été trouvées. Afin d'analyser les conséquences de ces mutations et de trouver des biomarqueurs spécifiques à cette maladie, nous avons effectué une analyse protéomique des lymphoblastes provenant de malades et d'individus sains. Nous avons trouvé que les mutations dans le complexe ubiquitaire eIF2B n'affectent pas de manière significative l'expression des protéines des lymphoblastes mutés. En conclusion, notre travail illustre le potentiel et les limitations des technologies protéomiques utilisées pour disséquer l'implication des protéines dans différentes situations biologiques. Summary Clinical proteomics opens the door to multiple applications related to the treatment of diseases. This particular field is at the crossroad of proteomics and medicine and involves tools from cellular and molecular biology. We focused first our investigations on cytotoxic T cells in the context of adoptive immunotherapy, which is an interesting and evolving field. The basis of this therapy relies on the natural capacity of cytotoxic CD8+ T lymphocytes in recognizing tumor cells and destroying them in cancer patients. As their number is reduced, the idea would be to use transformed T lymphocytes with extended life span. Overexpression of telomerase into human T lymphocytes results in the extension of their replicative life span, but it still remains unclear whether these cells are physiologically indistinguishable from normal ones. To address this question, we compared the proteome of young and aged CD8+ T lymphocytes with that of T cells transduced with hTERT and found that the latter cells displayed an intermediate protein pattern, sharing similar protein expression with young, but also with aged T cells. We were then interested in studying Epstein-Barr virus transformed B lymphocytes in the context of a rare human brain genetic disorder called leukodystrophy. In this disease, mutations in the ubiquitous factor eIF2B involved in protein synthesis and its regulation have been reported. In order to analyze the functional consequences of the mutations and to find out specific biomarkers of eIF2B-related disorders, proteomic and peptidomic studies were carried out on lymphoblasts from eIF2Bmutated patients versus healthy patients. Following two-dimensional gel electrophoresis and mass fingerprints, mutations in the eIF2B complex did not appear to significantly affect the proteome of the mutated lymphoblasts extracts. To conclude, our work emphasizes the potentials and the limitations of the proteomic technologies used to analyze the role of lymphocyte proteins in different biological situations.

The role of raptor in cell death

Selon les statistiques, les maladies cancéreuses sont en augmentation dans les pays en développement ainsi que dans les pays industrialisés. Ceci peut s'expliquer largement par les habitudes alimentaires, le tabagisme, les infections, le manque d'activité physique, la pollution et le stress, entre autres. Ainsi, l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) prévoit une augmentation de la fréquence des cancers avec 15 millions de nouveaux cas par an en 2020. La transformation d'une cellule normale en une cellule cancéreuse se déroule en plusieurs étapes avec, au niveau moléculaire, différentes mutations ciblant des protéines régulant la croissance cellulaire. Un des exemples de protéines qui participent au contrôle des voies cellulaires impliquées lors de la prolifération des cellules sont les complexes de protéines mTORCl et mTORC2 (« mammalian target of rapamycin complex 1 and 2 »). Ces complexes mTORCl et mTORC2 activent des processus anaboliques (la synthèse de protéines et de lipides, le métabolisme énergétique, entre autres) et inhibent en même temps des voies de catabolismes cellulaires (autophagie et synthèse de lysosomes). Ils sont souvent mutés dans de nombreux cas de cancers, c'est pourquoi ils sont la cible de nombreux traitements anti-cancéreux. Pour ces raisons, nous nous sommes intéressés aux mécanismes d'actions moléculaires des drogues qui ciblent les complexes mTORCl et mTORC2. Nous avons ainsi découvert qu'une molécule présente uniquement dans le complexe mTORCl, raptor, était clivée en un fragment plus petit lors du traitement de cellules cancéreuses avec des drogues. Des molécules activées durant la mort cellulaire programmée par apoptose, les caspases, se sont révélées responsables du clivage de raptor. Nous avons ensuite décrit de façon précise les sites de clivage de raptor par les caspases durant la mort cellulaire. Il s'est avéré que le clivage de raptor affaiblissait son interaction avec mTOR au sein du complexe mTORCl, ce qui participe à l'inactivation de mTORCl lors de traitements avec des molécules anti-cancéreuses. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes d'actions de différentes drogues anti-cancéreuses au niveau du complexe mTORCl, ce qui peut être utile pour la synthèse de nouvelles molécules ciblant mTORCl ainsi que pour lutter contre les mécanismes de résistance chimiothérapeutiques. -- La protéine « mammalian target of rapamycin » (mTOR) est une sérine/thréonine kinase qui est hautement conservée des protistes à l'être humain. Deux complexes mTOR existent : le complexe 1 mTOR (mTORCl) et le complexe 2 mTOR (mTORC2). Ils régulent positivement des processus anaboliques (synthèse de protéines et de lipides, le métabolisme énergétique, l'organisation du cytosquelette, la survie cellulaire) et négativement des voies cataboliques (autophagic, biogenèse de lysosomes). Les complexes mTORCl et mTORC2 sont sensibles aux signaux mitogéniques tels que les acides aminés, le glucose, les facteurs de croissance, l'état énergétique (ATP) et les niveaux d'oxygène et induisent des voies de croissance cellulaire essentielles. La voie cellulaire regulée par mTORCl peut être hyperactivée dans de nombreux cancers humains. Puisque plusieurs voies cellulaires convergent et régulent les complexes mTORCl et mTORC2, des mutations dans les kinases en amont peuvent mener à une dérégulation de l'activation de mTOR. Des stratégies thérapeutiques ont été développées pour cibler les complexes mTORCl et mTORC2, ainsi que les kinases en amont qui régulent mTOR. Plusieurs drogues ciblant mTORCl, telles que la rapamycine et la curcumine, affectent l'interaction entre mTOR et un composant spécifique de mTORCl, raptor. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux mécanismes moléculaires des drogues qui ciblent mTORCl, ainsi que leur effet déstabilisant sur l'interaction entre mTOR et raptor dans des lignées cellulaires de lymphomes. Nous avons démontré que raptor était clivé en un fragment de lOOkDa après traitement avec la rapamycine, la curcumine, l'étoposide, la cisplatine, la staurosporine et le ligand Fas (FasL). Etant donné que ces drogues ont été décrites comme induisant I'apoptose, l'utilisation d'un inhibiteur de caspases (z- VAD-fmk) a révélé que le clivage de raptor, lors de la mort cellulaire, était dépendant des caspases. Des essais caspases in vitro ont permis d'identifier la caspase-6 (ainsi que probablement d'autres caspases) comme étant une protéase impliquée dans le clivage de raptor. La séquence protéique de raptor a montré potentiellement plusieurs sites de clivage de caspases aux extrémités amino-terminale et carboxy-terminale. La mutagénèse a permis d'identifier les sites de clivages de raptor par les caspases comme étant DEAD LTD (acides aminés 17-23) et DDADD (acides aminés 939¬943). De plus, le clivage de raptor corrèle avec l'inhibition de l'activité de mTORCl envers ces substrats (S6K et 4E-BP1). Nous avons aussi observé que le clivage de raptor affaiblissait l'interaction entre mTOR et raptor, ce qui indique que ce clivage est une étape critique dans l'inhibition de mTORCl durant I'apoptose. Pour terminer, la mutagénèse du site de clivage de raptor DDADD a montré une résistance à la mort cellulaire de cellules cancéreuses. Notre travail de recherche a révélé un nouveau mécanisme moléculaire qui module l'organisation et l'activité de mTORCl, ce qui peut être d'un grand intérêt pour les recherches dans le domaine de mTOR ainsi que pour la découverte de molécules ciblant mTORCl. -- The mammalian target of rapamycin (mTOR) is a serine/threonine protein kinase, which is highly conserved from yeast to humans. Two different mTOR complexes exist: the mTOR complex 1 (mTORCl) and the mTOR complex 2 (mTORC2). They positively regulate anabolic processes (protein and lipid synthesis, energy metabolism, cytoskeleton organization, cell survival) and negatively regulate catabolic pathways (autophagy, lysosome biogenesis). The mTORCl and mTORC2 respond to mitogenic stimuli such as amino acids, glucose, growth factors, energy levels (ATP) and oxygen levels and drive essential cellular growth pathways. The mTORCl pathway can be found hyperactivated in numerous human cancers. As various cellular pathways converge and regulate mTORCl and mTORC2, mutations in upstream protein kinases can lead to a deregulated mTOR activation. Different therapeutic strategies have been developped to target mTORCl, mTORC2, as well as upstream protein kinases regulating mTOR pathways. Various drugs targeting mTORCl, such as rapamycin and curcumin, affect the interaction between mTOR and a specific mTORCl component, raptor. In this study, we investigated the molecular mechanisms of drugs targeting mTORCl, as well as their destabilizing effect on the mTOR-raptor interaction in lymphoma cell lines. We demonstrated that raptor was processed into a lOOkDa fragment after treatment with rapamycin, curcumin, etoposide, cisplatin, staurosporine and FasL. As these drugs were reported to induce apoptosis, the use of a pan-caspase inhibitor (z-VAD-fmk) revealed that the cleavage of raptor under cell death was caspase-dependent. In vitro caspase assays were performed to identify caspases-6 (and probably other caspases) as an important cysteine protease implicated in the cleavage of raptor. Analysis of raptor protein sequence showed several putative caspase-specific cleavage sites at the N-terminal and the C-terminal ends. Mutagenesis studies allowed us to identify the DEADLTD (amino acids 17-23) and the DDADD (amino acids 939-943) as the caspase-dependent cleavage residues of raptor. Furthermore, the cleavage of raptor correlated with inhibition of mTORCl activity towards its specific targets (4E-BP1 and S6K). We also highlighted that raptor processing weakened the interaction between mTOR and raptor, indicating that raptor cleavage is a critical step in the mTORCl inhibition process during apoptosis. Finally, mutagenesis of raptor C-terminal cleavage site (DDADD) conferred resistance to the chemotherapeutic-mediated cell death cascade of cancer cell. Our research work highlighted a new molecular mechanism modulating mTORCl organization and activity, which can be of great interest in the mTOR field research and for designing drugs trageting mTORCl.