Regulation of frizzled receptor activity at the plasma membrane : an interplay of the receptor, the trimeric G protein Go, and RGS protein and a scaffolding protein Kermit

G-protein-signaling pathways convey extracellular signals inside the cells and regulate distinct physiological responses. This type of signaling pathways consists of three major components: G-protein-coupled receptors (GPCRs), heterotrimeric G proteins (G-proteins) and downstream effectors. Upon ligand binding, GPCRs activate heterotrimeric G proteins to initiate the signaling cascade. Dysfunction of GPCR signaling correlates with numerous diseases such as diabetes, nervous and immune system deficiency, and cancer. As the signaling switcher, G-proteins (Gs, Gq/11, G12/13, and Gi/o) have been an appealing topic of research for decades. A heterotrimeric G-protein is composed of three subunits, the guanine nucleotide associated a-subunit, ß and y subunits. In general, the duration of signaling is determined by the lifetime of activated (GTP bound) Ga subunits. Identification of novel communication partners of Ga subunits appears to be an attractive way to understand the machinery of GPCR signaling. In our lab, we mainly focus on Gao, which is abundantly expressed in the nervous system. Here we present two novel interacting partners of Drosophila Gao: Dhit and Kermit, identified through yeast two-hybrid screening and genetic screening respectively. Dhit is characterized by a small size with a conserved RGS domain and an N-terminal cysteine rich motif. The RGS domain possesses the GAP (GTPase activating protein) activity towards G proteins. However, we found that Dhit exerts not only the GAP activity but also the GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) activity towards Gao. The unexpected GDI activity is preserved in GAIP/RGS19 - a mammalian homologue of Dhit. Further experiments confirmed the GDI activity of Dhit and GAIP/RGS19 in Drosophila and mammalian cell models. Therefore, we propose that Dhit and its mammalian homologues modulate GPCR signaling by a double suppression of Ga subunits - suppression of their nucleotide exchange with GTP and acceleration of their hydrolysis of GTP. Kermit/GEPC was first identified as a binding partner of GAIP/RGS19 in a yeast two- hybrid screen. Instead of interacting with the Drosophila homologue of GAIP/RGS19 (Dhit), Kermit binds to Gao in vivo and in vitro. The functional consequence of Kermit/Gao interaction is the regulation of localization of Vang (one of the planar cell polarity core components) at the apical membrane. Overall, my work elaborated the action of Gao with its two interaction partners in Gao- mediated signaling pathway. Conceivably, the understanding of GPCR signaling including Gao and its regulators or effectors will ultimately shed light on future pharmaceutical research. - Les voies de signalisation médiées par les protéines G transmettent des signaux extracellulaires à l'intérieur des cellules pour réguler des réponses physiologiques distinctes. Cette voie de signalisation consiste en trois composants majeurs : les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs), les protéines G hétérotrimériques (G-proteins) et les effecteurs en aval. Suite à la liaison du ligand, les GPCRs activent les protéines G hétérotrimériques qui initient la cascade de signalisation. Des dysfonctions dans la signalisation médiée par les GPCRs sont corrélées avec de nombreuses maladies comme le diabète, des déficiences immunes et nerveuses, ainsi que le cancer. Puisque la voie de signalisation s'active et se désactive, les protéines G (Gs, Gq/11, G12/13 et Gi/o) ont été un sujet de recherche attrayant pendant des décennies. Une protéine G hétérotrimérique est composée de trois sous-unités, la sous-unité a associée au nucléotide guanine, ainsi que les sous-unités ß et y. En général, la durée du signal est déterminée par le temps de demi-vie des sous-unités Ga activées (Ga liées au GTP). Identifier de nouveaux partenaires de communication des sous-unités Ga se révèle être un moyen attractif de comprendre la machinerie de la signalisation par les GPCRs. Dans notre laboratoire nous nous sommes concentrés principalement sur Gao qui est exprimée de manière abondante dans le système nerveux. Nous présentons ici deux nouveaux partenaires qui interagissent avec Gao chez la drosophile: Dhit et Kermit, qui ont été identifiés respectivement par la méthode du yeast two-hybrid et par criblage génétique. Dhit est caractérisé par une petite taille, avec un domaine RGS conservé et un motif N- terminal riche en cystéines. Le domaine RGS contient une activité GAP (GTPase activating protein) pour les protéines G. Toutefois, nous avons découvert que Dhit exerce non seulement une activité GAP mais aussi une activité GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) à l'égard de Gao. Cette activité GDI inattendue est préservée dans RGS19 - un homologue de Dhit chez les mammifères. Des expériences supplémentaires ont confirmé l'activité GDI de Dhit et de RGS19 chez Drosophila melanogaster et les modèles cellulaires mammifères. Par conséquent, nous proposons que Dhit et ses homologues mammifères modulent la signalisation GPCR par une double suppression des sous-unités Ga - suppression de leur nucléotide d'échange avec le GTP et une accélération dans leur hydrolyse du GTP. Kermit/GIPC a été premièrement identifié comme un partenaire de liaison de RGS19 dans le criblage par yeast two-hybrid. Au lieu d'interagir avec l'homologue chez la drosophile de RGS19 (Dhit), Kermit se lie à Gao in vivo et in vitro. La conséquence fonctionnelle de l'interaction Kermit/Gao est la régulation de la localisation de Vang, un des composants essentiel de la polarité planaire cellulaire, à la membrane apicale. Globalement, mon travail a démontré l'action de Gao avec ses deux partenaires d'interaction dans la voie de signalisation médiée par Gao. La compréhension de la signalisation par les GPCRs incluant Gao et ses régulateurs ou effecteurs aboutira à mettre en lumière de futurs axes dans la recherche pharmacologique.

Novel action of a wake-promoting neuropeptide in hippocampus : inhibition of nmda receptor function at excitatory synapses through orexin-a

One of the most intriguing functions of the brain is the ability to learn and memorize. The mechanism through which memory and learning are expressed requires the activation of NMDA receptors (NMDARs). These molecular entities are placed at the postsynaptic density of excitatory synapses and their function is tightly controlled by the actions of several modulators at the extracellular, intracellular and pore sites. A large part of the intracellular modulation comes from the action of G-protein coupled receptors (GPCRs). Through intracellular cascades typically involving kinases and phosphatases, GPCRs potentiate or inhibit NMDARs, controlling the conductive state but also the trafficking within the synapse. The GPCRs are involved in the modulation of a variety of brain functions. Many of them control cognition, memory and learning performance, therefore, their effects on NMDARs are extensively studied. The orexinergic system signals through GPCRs and it is well known for the regulation of waking, feeding, reward and autonomic functions. Moreover, it is involved in potentiating hippocampus-related cognitive tasks. Orexin receptors and fibers are present within the hippocampus, but whether these directly modulate hippocampal cells and synapses has not yet been determined. During my thesis, I studied orexinergic actions on excitatory synaptic transmission via whole-cell patch-clamp recordings in rat acute hippocampal slices. I observed that exogenously applied orexin-A (ox-A) exerted a strong inhibitory action on NMDAR-mediated synaptic potentials at mossy fiber (MF)-CA3 synapses, by postsynaptically activating orexin-2 receptors, a minor inhibition at Schaffer collateral-CAl synapses and did not affect other synapses with the CA3 area. Moreover, I demonstrated that the susceptibility of NMDARs to ox- A depends on the tone of endogenous orexin known to fluctuate during the day-night cycle. In fact, in slices prepared during the active period of the rats, when endogenous orexin levels are high, NMDAR-currents were not affected by exogenously applied ox-A. The inhibitory effect of ox-A was, however, reverted when interfering with the orexinergic system through intraperitoneal injections of almorexant, a dual orexin receptor antagonist, during the active phase prior to slice preparation. This thesis work suggests that the orexinergic system regulates NMDAR-dependent information flow through select hippocampal pathways depending on the time-of-day. The specific orexinergic modulation of NMDARs at MFs dampens the excitability of the hippocampal circuit and could impede the mechanisms related to memory formation, possibly also following extended periods of waking. -- La capacité d'apprentissage et de mémorisation est une des fonctions les plus intrigantes de notre cerveau. Il a été montré qu'elles requièrent l'activation des récepteurs NMDA (NMDARs). Ces entités moléculaires sont présentes au niveau de la densité post-synaptique des synapses excitatrices et leur fonction est étroitement contrôlée par l'action de nombreux modulateurs au niveau extracellulaire, intracellulaire et membranaire de ces récepteurs. Une grande partie de la modulation intracellulaire s'effectue via l'action de récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs). Grace à leurs cascades intracellulaires typiquement impliquant des kinases et des phosphatases, les GPCRs favorisent l'activation ou l'inhibition des NMDARs, contrôlant ainsi leur perméabilité mais aussi leur mouvement à la synapse. Les GPCRs sont impliquées dans de nombreuses fonctions cérébrales telles que la cognition, la mémoire ainsi que la capacité d'apprentissage c'est pour cela que leurs effets sur les NMDARs sont très étudiés. Le système orexinergique fait intervenir ces GPCRs et est connu par son rôle dans la régulation de fonctions physiologiques telles que l'éveil, la prise alimentaire, la récompense ainsi que d'autres fonctions du système nerveux autonome. De plus, ce système est impliqué dans la régulation de tâches cognitives liées à l'hippocampe. Bien que les fibres et les récepteurs à l'orexine soient présents dans l'hippocampe, leur mécanisme d'action sur les cellules et les synapses de l'hippocampe n'a pas encore été élucidé. Durant ma thèse, je me suis intéressée aux effets de l'orexine sur la transmission synaptique excitatrice en utilisant la méthode d'enregistrement en patch-clamp en configuration cellule entière sur des tranches aiguës d'hippocampes de rats. J'ai observé que l'application exogène d'orexine A d'une part inhibe fortement les courants synaptiques dépendants de l'activation des NMDARs au niveau de la synapse entre les fibres moussues et CA3 via l'activation post-synaptique des orexine récepteurs 2 mais d'autre part n'inhibe que de façon mineure la synapse entre les collatérales de Schaffer et CAI et n'affecte pas les autres synapses impliquant CA3. J'ai également démontré que la sensibilité des NMDARs à l'orexine A dépend de sa concentration endogène qui fluctue durant le cycle éveil-sommeil. En effet, lorsque les coupes d'hippocampes sont préparées durant la période active de l'animal correspondant à un niveau endogène d'orexine élevé, l'application exogène d'orexine A n'a aucun effet sur les courants dépendants de l'activation des NMDARs. Cependant, l'injection dans le péritoine, durant la phase active de l'animal, d'un antagoniste des orexine récepteurs, l'almorexant, va supprimer l'effet inhibiteur de l'orexine A. Les résultats de ma thèse suggèrent donc que le système orexinergique module les informations véhiculées par les NMDARs via des voies de signalisation sélectives de l'hippocampe en fonction du moment de la journée. La modulation orexinergique des NMDARs au niveau des fibres moussues diminue ainsi l'excitabilité du circuit hippocampal et pourrait entraver les mécanismes liés à la formation de la mémoire, potentiellement après de longues périodes d'éveil.

Génération d'une souris dépourvue du gène VIT32 de manière conditionnelle: étude du phénotype rénal chez les souris dépourvues de RGS2

Résumé Dans le rein, la vasopressine possède un rôle essentiel dans la régulation fine du transport d'eau et participe au contrôle de la réabsorption du sodium. Cette action est conduite par l'activation du récepteur à la vasopressine V2R situé dans l'anse de Henle, dans le tubule connecteur et dans le canal collecteur du néphron des rongeurs et conduit à la formation d'AMPc entraînant un mécanisme d'action caractérisé par deux phases distinctes. Le premier effet de la vasopressine est non génomique et a lieu rapidement après l'activation du récepteur, la deuxième phase est plus tardive et possède la caractéristique de moduler la transcription d'un réseau de gènes. Parmi ces gènes, plusieurs sont directement impliqués dans le transport d'eau et de sodium, comme l'Aqp2 et 3, ENaC et la Na,K-ATPase. L'identification des effets de la voie de signalisation de la vasopressine représente un point crucial pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la réabsorption de l'eau et du sodium dans le néphron. L'analyse en série de l'expression de gènes (SAGE) réalisée en 2001 dans notre laboratoire a permis de caractériser le transcriptome dépendant de la vasopressine dans la lignée cellulaire mpkCCDc14,a dérivée du canal collecteur cortical (CCD) de souris. Deux des transcrits induits par la vasopressine (VIT) ont fait l'objet des études de ce travail de thèse. Le premier est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) qui code pour une protéine ne possédant aucune homologie avec des domaines protéiques dont la fonction est connue. Dans le système d'expression de l'ovocyte de Xenopus laevis, VIT32 induit la maturation des ovocytes et diminue le courant sensible à l'amiloride de manière dépendante de la voie des MAPK. Dans les mpkCCDc14, l'inhibition de la voie des MAPK diminue le courant sodique en diminuant l'activité de la Na,K-ATPase, mais sans modifier le courant d'ENaC. Ainsi la voie de signalisation des MAPK peut avoir des cibles différentes suivant le système dans lequel elle est étudiée. C'est pourquoi nous avons décidé de poursuivre l'étude de VIT32 dans un contexte physiologique en créant une souris dépourvue du gène codant pour VIT32 de manière conditionnelle (conditional knockout). La première partie de cette thèse a donc consisté à générer cette souris. Le deuxième transcrit induit par la vasopressine qui a été étudié dans cette thèse est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, il a été montré que RGS2 inhibe des voies de signalisation dépendantes de récepteurs couplés à des protéines Gq et Gs. Dans notre étude, nous avons montré que dans le néphron de rein de souris, RGS2 est colocalisé avec V2R. In vivo, la vasopressine sécrétée lors d'une restriction en eau imposée à des souris augmente l'expression de RGS2. De plus, l'accumulation d'AMPc engendrée par l'action de la vasopressine sur les canaux collecteurs est significativement plus grande chez les souris dépourvues de RGS2 (rgs2 -/-). Cette induction de la signalisation de la vasopressine est corrélée à une augmentation de la réabsorption d'eau chez les souris rgs2 -/-. Ainsi RGS2 serait impliqué dans le rétrocontrôle négatif de la voie de signalisation de la vasopressine. Abstract In the kidney, vasopressin plays a key role in the control of water balance and participates in salt reabsorption. These actions are induced by the activation of V2 vasopressin receptor (V2R) located in the loop of Henle, in the connecting tubule and in the collecting duct leading to an increase in intracellular cAMP levels. The V2R-mediated vasopressin action elicits a rapid, non-genomic effect, during which water and salt reabsorption is rapidly increased and a late or genomic effect characterised by the long-term regulation of water and salt reabsorption through the transcriptional activation of a gene network that includes Aqp2, Aqp3, ENaC and Na,K-ATPase. Serial analysis of gene expression (SAGE) performed in 2001 in our laboratory characterised the vasopressin induced transcripts (VIT) in the mpkCCDc14 cell line. Two of them are studied in this thesis. The first one is VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) that encodes a protein that has no homology with any protein domain of known function. In the Xenopus laevis oocyte, VIT32 induces oocyte maturation and downregulates the ENaC amiloride sensitive current via the activation of the MAPK pathway. In mpkCCDc14 cell line, the MAPK pathway inhibition leads to a decrease of Na,K-ATPase activity without affecting ENaC current. Therefore, the MAPK pathway can act on different targets depending on the cellular context. Thus, we decided to investigate the function of VIT32 in its physiological environment by performing a conditional knockout mouse of VIT32. The first part of this thesis consisted in generating this mouse. The second studied vasopressin induced transcript is RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, RGS2 has been shown to inhibit Gq and Gs protein-coupled receptor pathway. In our study we show that RGS2 is co-localized with V2R in the mouse nephron. In vivo, vasopressin secreted during water restriction up-regulates RGS2 expression. Moreover, vasopressin-dependant accumulation of CAMP is significantly increased in the cortical collecting duct of RGS2 knockout mice. This increase is correlated with an increase in water reabsorption. RGS2 could be involved in the negative feedback regulation of V2R signalling. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 60% d'eau répartie à l'intérieur et à l'extérieur des cellules de notre organisme. Les cellules, unités fondamentales du vivant, puisent l'oxygène et les nutriments indispensables à leur fonctionnement dans le liquide extracellulaire. La composition du milieu doit être constante, car les variations peuvent perturber considérablement et parfois fatalement la fonction des cellules. Ainsi les organismes pluricellulaires ont développé des mécanismes permettant de contrôler la constance du milieu extracellulaire afin de maintenir l'état d'équilibre nommé homéostasie. Le rein joue un rôle majeur dans cette homéostasie grâce à sa capacité de réabsorber l'eau et les solutés en fonction des besoins de l'organisme. Cette fonction du rein est régulée par différentes hormones comme la vasopressine, qui permet de contrôler la réabsorption fine de l'eau et des solutés. Dans leurs membranes, les cellules possèdent des récepteurs leur permettant de répondre aux signaux extracellulaires comme le sont entre autres les hormones. Ainsi les cellules sensibles à la vasopressine possèdent un récepteur nommé V2R qui permet d'intégrer les signaux de la vasopressine en déclenchant tout une cascade d'événements conduisant à une modification de l'expression de certaines protéines impliquées directement ou non dans la réabsorption de l'eau et des solutés. Une étude précédente élaborée au sein de notre laboratoire a permis de répertorier les protéines dont l'expression est augmentée par de la vasopressine. Deux de ces protéines ont fait l'objet des études de cette thèse. La première protéine induite par la vasopressine est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32). Cette protéine est entre autres impliquée dans la réabsorption du sodium, mais la fonction précise de VIT32 dans ce transport n'a pas pu être déterminée. Une des approches possibles pour l'étude de la fonction d'une protéine est de supprimer son expression chez la souris et d'étudier les conséquences de son absence. Ces souris sont appelées des souris knockout, puisque la protéine en question ne peut plus agir. La première partie de cette thèse a donc consisté à générer une souris dépourvue du gène de VIT32. La deuxième protéine étudiée est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). Cette protéine inhibe certaines voies de signalisation activées par différentes hormones. Dans cette partie du travail de thèse, nous avons pu mettre en évidence que RGS2 agit comme un inhibiteur de la voie de signalisation de la vasopressine. En modifiant cette signalisation, RGS2 serait donc un médiateur du contrôle de la réabsorption d'eau dans les cellules du rein sensibles à la vasopressine.

Contribution of estrogen and GluN2B subunit to the HtraKO mouse phenotype

Htr1a is one of the most widespread serotonin receptor across the brain, strongly expressed in CAI region of hippocampus. Our laboratory studies the phenotypic alteration in 5HTla- deficient mice (Htr1aK0), characterized an abnormal anxious-like behavior. Our aim is to evaluate the regulation of this cognitive process by understanding the circuitry involved. This phenotype sets up early during development and has durable effect in adulthood. Our laboratory showed that adult Htr1aK0 male mice displaying exuberant dendritic growth of oblique dendrites in a specific layer of a CAI pyramidal neurons, the stratum radiatum. Application of drugs in organotypic cultures and by in vivo injections revealed that GluN2B, a subunit of NMDA receptor highly expressed during development, is responsible for this dendritic exuberance. Immunohistochemistry highlighted in particular a synaptic enrichment of GluN2B in stratum radiatum of Htr1aK0 CAI pyramidal neurons at puberty. Finally, original analysis of Htr1aK0 mouse behavior showed a different response to anxiety between male and female. Htr1a activation down-regulates the CaMKII activity in the CAI pyramidal neurons. CaMKII directly favors the membrane conductance and stability of GluN2B at the synapse. In the context of the Htr1aK0 mouse, GluN2B is the final common pathway of our phenotype. This subunit is well known to regulate the threshold of LTD/LTP and the dendritogenesis during development. In my thesis, I establish a link between the gender differences in the morphology and the physiology in the Htr1aK0 mice during development to understand how these characteristics shape the circuit with prominent cognitive impacts in adulthood. My study highlighted that during development, Htr1aK0 male mice show a constant increase of the dendritic growth of oblique dendrites from early ages until adulthood associated with an increased physiological impact of altered GluN2A/GluN2B ratio. Whereas during puberty, synaptic contribution of GluN2B to NMDA response is higher in Htr1aK0 compared to WT male mice, this ratio comes back to normal values towards adulthood. However, this recovery of the ratio of GluN2A/GluN2B located at the synaptic level is concomitant with the lateral diffusion of excess GluN2B subunits, leading to extrasynaptic enrichment. The main impact was a lowering of the LTP threshold characterized by strong increased potentiation of synaptic strength after 5 Hz low frequency stimulation. Moreover, the extrasynaptic GluN2B overexpression leads to a shift of the maturation phase switch explaining the exuberant morphology. However, Htr1aK0 females characterized during the 3 first weeks of development by an increase of the dendritic growth of oblique dendrites showed starting at puberty that the dendrite arborization returns progressively to WT values. The physiological impact of GluN2B was investigated and directly linked to this morphology, since Htr1aK0 female mice does not show alteration of the synaptic strength during development. These observations show a compensation occurring in Htr1aK0 female, responsible for a rescue of the phenotype morphologically, physiologically and to be tested behaviorally. We highlighted then the biological processes underlying this compensation. During development, sexual hormones such as testosterone and estrogen are responsible to induce sexual differentiation of specific brain regions. I demonstrated that estrogen, but not testosterone, was able to reduce both in vitro and in vivo the dendritic arborization early during development, through activation of GPER-1, a G-coupled protein estrogen receptor, which phenocopy the activation of Htr1a by reducing GluN2B conductance and stability. I then identified a pathway, parallel to Htr1a, able to regulate GluN2B and responsible for the morphological and physiological phenotype in Htr1aK0 female mice. The specific rise of estrogen occurring at puberty in female is responsible for the compensation observed and induces a late rescue of the Htr1aK0 phenotype by activation GPER-1. -- Htr1a est un des récepteurs à la sérotonine les plus répandus dans le cerveau, fortement exprimé dans la région CAI de l'hippocampe. Notre laboratoire étudie les altérations phénotypiques de souris déficientes pour ce récepteur (Htr1aK0), caractérisées par un comportement avec des traits anxieux. Notre objectif est d'évaluer la régulation de ces processus cognitifs en comprenant les connexions nerveuses impliquées. Ce phénotype se met en place tôt au cours du développement et présente un effet durable à l'âge adulte. Notre laboratoire a montré que les souris Htr1aK0 mâles adultes se caractérisent par une croissance exubérante des dendrites obliques dans une couche spécifique des neurones pyramidaux du CAI, le stratum radiatum. L'application de drogues sur cultures organotypiques et par injections in vivo ont révélé que GluN2B, une sous-unité du récepteur NMDA fortement exprimée au cours du développement, est responsable de cette exubérance dendritique. Des expériences d'immunohistochimie ont notamment mis en évidence un enrichissement synaptique de GluN2B durant la puberté dans le stratum radiatum des neurones de la région CAI des souris Htr1aK0. Finalement, l'analyse originale du comportement des souris Htr1aK0 a montré une différence de réponse à l'anxiété entre mâles et femelles. L'activation de Htr1a diminue l'activité de la CaMKII dans les neurones pyramidaux du CAI. La CaMKII favorise directement la conductance et la stabilité de la sous-unité GluN2B à la synapse. Dans le contexte de la souris Htr1aK0, GluN2B est le « médiateur » de notre phénotype. Cette sous-unité est particulièrement connue pour réguler le seuil de LTD-LTP ainsi que la dendritogénèse durant le développement. Dans ma thèse, j'ai établi le lien entre les différences dépendant du genre dans la morphologie et physiologie des souris Htr1aK0 au cours du développement pour comprendre comment ces caractéristiques modulent le circuit accompagnés d'impacts cognitifs visibles à l'âge adulte. Mon étude a mis en évidence que durant le développement, les souris mâles Htr1aK0 montrent une constante augmentation de la croissance des dendrites obliques entre les premières semaines et l'âge adulte associée à une augmentation de l'impact physiologique du ratio GluN2A/GluN2B altéré. Alors que durant la puberté, la contribution synaptique de GluN2B à la réponse NMDA est plus haute chez la souris mâle Htr1aK0 que le WT, ce ratio revient à des valeurs normales à l'âge adulte. Cependant, cette récupération de l'expression du récepteur au niveau synaptique est concomitante avec la diffusion des sous-unités GluN2B excédantes, amenant alors à un enrichissement extrasynaptique. Le principal impact est une diminution du seuil de la LTP caractérisée par une forte potentiation de la plasticité après une stimulation basse fréquence à 5 Hz. De plus, la surexpression des GluN2B extrasynaptiques conduit à un décalage de la bascule à la phase de maturation, expliquant la morphologie dendritique exubérante. Cependant, les femelles Htr1aK0 initialement caractérisées pendant les 3 premières semaines du développement par une augmentation de la croissance des dendrites obliques montrent à partir de la puberté que cette arborisation dendritique retourne à des valeurs WT. L'impact physiologique de GLuN2B a été investigué et mis en lien avec cette morphologie, étant donné que les femelles Htr1aK0 ne montrent pas d'altération de la plasticité durant le développement. Ces observations montrent une compensation se produisant chez la femelle Htr1aK0, responsable d'une récupération du phénotype morphologique, physiologique et peut-être comportemental. Nous avons souligné les processus biologiques sous-jacent à cette compensation. Au cours du développement, les hormones sexuelles telles que la testostérone et l'estrogène sont responsables de la différentiation sexuelle de régions du cerveau spécifiques. J'ai démontré que l'estrogène, mais pas la testostérone, était capable de réduire in vitro et in vivo l'arborisation dendritique tôt dans le développement au travers de l'activation du récepteur GPER-1, un récepteur aux estrogènes couplés à un protéine G, qui phénocopie l'activation de Htr1a en réduisant la conductance et la stabilité de GluN2B à la membrane. J'ai identifié une voie de signalisation parallèle à celle de Htr1a, capable de réguler GluN2B et responsable du phénotype morphologique et physiologique de la souris femelle Htr1aK0. La montée spécifique d'estrogène se déroulant à la puberté chez la femelle est responsable de cette compensation et implique une récupération tardive du phénotype Htr1aK0 par l'activation de GPER-1.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

The interaction of human pathogenic arena viruses with the host cell

SummaryResearch projects presented in this thesis aimed to investigate two major aspects of the arenaviruses life cycle in the host cell: viral entry and the biosynthesis of the viral envelope glycoprotein.Old World arenaviruses (OWAV), such as Lassa virus (LASV) and lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), attach to the cell by binding to their receptor, alpha-dystroglycan. Virions are then internalized by a largely unknown pathway of endocytosis and delivered to the late endosome/lysosome where fusion occurs at low pH. In the major project of my thesis, we sought to identify cellular factors involved in OWAV cell entry. Our work indicates that OWAV cell entry requires microtubular transport and a functional multivesicular body (MVB) compartment. Infection indeed depends on phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) activity and lysobisphosphatidic acid (LBPA), a lipid found in membranes of intraluminal vesicles (ILVs) of the MVB. We further found a requirement of factors that are part of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT), involved in the formation of ILVs. This suggests an ESCRT-mediated sorting of virus- receptor complex during the entry process.During viral replication, biosynthesis of viral glycoprotein takes place in the endoplasmic reticulum (ER) of the host cell. When protein load exceeds the folding capacity of the ER, the accumulation of unfolded proteins is sensed by three ER resident proteins, activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) and PKR-like ER kinase (PERK), whose signaling induces the cellular unfolded protein response (UPR). Our results indicate that acute LCMV infection transiently induces the activation of the ATF6 branch of the UPR, whereas the PERK, and IRE1 axis of UPR are neither triggered nor blocked during infection. Our data also demonstrate that activation of ATF6 pathway is required for optimal viral replication during acute infection.The formation of the mature, fusion-active form of arenaviruses glycoproteins requires proteolytic cleavage mediated by the cellular protease subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). We show that targeting the SKI-1/S1P enzymatic activity with specific inhibitors is a powerful strategy to block arenaviruses productive infection. Moreover, characterization of protease function highlights differences in processing between cellular and viral substrates, opening new possibilities in term of drug development against human pathogenic arenaviruses.RésuméLes projets de recherche présentés dans cette thèse visaient à étudier deux aspects du cycle de vie des arenavirus: l'entrée du virus dans la cellule hôte et la biosynthèse de la glycoprotéine durant la réplication virale.Les arenavirus du vieux monde (OWAV), tels que le virus de Lassa (LASV) et le virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur, l'alpha-dystroglycane. Les virions sont ensuite intemalisés par une voie d'endocytose inconnue et livrés à l'endosome tardif/lysosome, où le pH acide permet la fusion entre l'enveloppe virale et la membrane du compartiment. Le projet principal de ma thèse consistait à identifier les facteurs cellulaires impliqués dans l'entrée des OWAV dans la cellule hôte. Nos résultats indiquent que l'entrée des OWAV nécessite le transport microtubulaire et la présence d'un corps multivésiculaire (MVB) fonctionnel. L'infection dépend en effet de l'activité de phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) et de lysobisphosphatidic acid (LBPA), un lipide présent dans les membranes des vésicules intraluminales (ILVs) du MVB. Nous avons également trouvé l'implication de facteurs constituant l'endosomal sorting complex required for sorting (ESCRT) qui joue un rôle dans la formation des ILVs. Ces donnés suggèrent l'incorporation du complexe virus-récepteur dans des ILVs durant le processus d'entrée.Lors de la réplication virale, la biosynthèse de la glycoprotéine virale a lieu dans le réticulum endoplasmique (ER) de la cellule hôte. Lorsque la charge de protéines nouvellement synthétisées excède la capacité de pliage des protéines dans le ER, l'accumulation de protéines mal pliées est détectée par trois facteurs: activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) et PKR-like ER kinase (PERK). Leur signalisation constitue la réponse cellulaire face aux protéines mal pliées (UPR). Nos résultats montrent que l'infection aiguë avec LCMV induit transitoirement l'activation de la voie de signalisation ATF6 alors que les axes PERK et IRE1 de l'UPR ne sont ni induits ni bloqués pendant l'infection. Nos données prouvent également que l'activation de la voie ATF6 est nécessaire à une réplication virale optimale lors de l'infection aiguë avec LCMV.La maturation des glycoprotéines des arenavirus nécessite un clivage protéolytique par la protéase cellulaire subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). Nous avons démontré que le ciblage de l'activité enzymatique de SKI-1/SIΡ avec des inhibiteurs spécifiques est une stratégie prometteuse pour bloquer l'infection par les arenavirus. La caractérisation du mécanisme d'action de la protéase a, par ailleurs, révélé des différences au niveau du clivage entre les substrats cellulaires et viraux, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en terme de développement de médicaments contre les arenavirus pathogènes pour l'homme.

Characterization of the expression, regulation and function of Sorting Nexin 9 and Sorting Nexin 18

Summary : Sorting nexin (SNX) family members play important roles in intracellular protein and membrane trafficking, The membrane-tubulating SNX9 protein has been shown to interact with multiple components of the endocytic machinery and to participate in clathrin-mediated endocytosis of cell surface receptors. It has not been investigated if SNX9 may also participate in other protein sorting pathways that involve vesicular transport, specifically the biogenesis of lysosome-related organelles (LROs). Closely related to SNX9 is SNXl8, whose function is largely unknown. In this work, we have characterized the expression of SNX9 and SNXl8 in LRO-containing cells and investigated their role in protein trafficking during the formation of LROs. Our results indicate that SNX9 and SNXl8 are not essential for the formation of LROs, nor for the sorting of melanosomal proteins. We investigated how the level of intracellular SNX9 protein is regulated and found that it is a substrate of the ubiquitin ligase Itch, a member of the NEDD4 family of E3 ubiquitin ligases. Itch ubiquitylates SNX9 and regulates SNX9 levels by enhancing its degradation. Using ? truncated proteins we found that the interaction with SNX9 is mediated by the proline-rich domain of Itch, a domain distinct from the conventional WW recognition domain, and the SH3 domain of SNX9. Interaction with the PRD of Itch is essential for SNX9 ubiquitylation and degradation. We further showed that Itch binding is not affected by tyrosine phosphorylation of SNX9. Using lentivector-mediated siRNA techniques, we found that Itch regulates the level of melanosomal proteins, while knock-down of SNX9 does not alter their level. Interestingly, we revealed that silencing of SNXIS affects the amount of the melanosomal protein Melan-A, but also of SNX9, and that SNXl8 can interact with SNX9. Taken together, our results highlight that the pool of substrates of NEDD4 family E3 ligases extends to proteins containing SH3 domains and provide insight into the potential functions of SNXI8. Résumé : Les membres de la famille des Sorting Nexins (SNX) jouent des rôles importants dans le trafic intracellulaire de protéines et membranes. Il a été démontré que la protéine SNX9, qui génère les tubules membranaires, interagit avec plusieurs composants de la machinerie d'endocytose et participe à l'endocytose des récepteurs de surface mediée par la clathrine. Aucune étude n'a investigué si SNX9 pourrait aussi participer à d'autres voies de trafic de protéines tel que le transport vésiculaire, et plus particulièrement la biogenèse des organites lysosomaux ("lysosome-related organelles", LR©s). SNXl8 est similaire à SNX9, mais sa fonction est largement inconnue. Dans ce travail, nous avons caractérisé l'expression de SNX9 et SNX18 dans des cellules contenants des LROs et investigué leur rôle dans le trafic de protéines pendant la formation des LROS. Nos résultats indiquent que SNX9 et SNXI8 ne sont essentiels ni pour la formation des LR©s, ni pour le trafic de protéines mélanosomales. Nous avons examiné la régulation du niveau intracellulaire de la protéine SNX9 et avons trouvé qu'elle est un substrat de l'ubiquitine ligase Itch, un membre de la famille NEDD4 des ubiquitine ligases E3. Itch ubiquitine SNX9 et régule les niveaux de SNX9 en augmentant sa dégradation. En utilisant des protéines mutées nous avons découvert que l'interaction avec SNX9 est médiée par le domaine riche en proline de Itch, qui est différent du domaine conventionnel de reconnaissance WW, et par le domaine SH3 de SNX9. L'interaction avec le domaine riche en proline de Itch est essentielle pour l'ubiquitination et la dégradation de SNX9. De plus, nous avons montré que cette liaison n'est pas affectée par la phosphorylation des résidus tyrosine de SNX9. En utilisant des vecteurs lentiviraux exprimant des siARN, nous avons trouvé que Itch régule les niveaux de protéines mélanosomales, alors que l'extinction de l'expression de SNX9 ne change pas leurs niveaux. En autre, nous avons révélé que la diminution de SNXl8 affecte le niveau de la protéine mélanosomale Melan-A et de SNX9, et aussi que SNXl8 peut interagir avec SNX9. En résumé, nos résultats démontrent que l'ensemble des substrats de la famille NEDD4 des ubiquitine ligases E3 s'élargit aux protéines contenant des domaines SH3 et ouvrent des perspectives sur les fonctions potentielles de SNXl8.

Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Optimisation of antiretroviral therapy : pharmacokinetic and pharmacogenetic approaches

Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une condition inévitablement fatale à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins totaux, libres et/ou cellulaires des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie, cette dernière étant certainement un enjeu majeur pour un traitement qui se prend à vie.L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques (PK) et pharmacogénétiques (PG) influençant l'exposition aux médicaments antirétroviraux (ARVs) nous offrant ainsi une base rationnelle pour l'optimisation du traitement antiviral et pour l'ajustement posologique des médicaments chez les patients VIH-positifs. Une thérapie antirétrovirale adaptée au patient est susceptible d'augmenter la probabilité d'efficacité et de tolérance à ce traitement, permettant ainsi une meilleure compliance à long terme, et réduisant le risque d'émergence de résistance et d'échec thérapeutique.A cet effet, des méthodes de quantification des concentrations plasmatiques totales, libres et cellulaires des ARVs ainsi que de certains de leurs métabolites ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide coupée à la spectrométrie de masse en tandem. Ces méthodes ont été appliquées pour la surveillance des taux d'ARVs dans diverses populations de patients HIV-positifs. Une étude clinique a été initiée dans le cadre de l'étude VIH Suisse de cohorte mère-enfant afin de déterminer si la grossesse influence la cinétique des ARVs. Les concentrations totales et libres du lopînavir, de l'atazanavir et de la névirapine ont été déterminées chez les femmes enceintes suivies pendant leur grossesse, et celles-ci ont été trouvées non influencées de manière cliniquement significative par la grossesse. Un ajustement posologique de ces ARVs n'est donc pas nécessaire chez les femmes enceintes. Lors d'une petite étude chez des patients HIV- positifs expérimentés, la corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique des nouveaux ARVs, notamment le raltégravir, a été déterminée. Une bonne corrélation a été obtenue entre taux plasmatiques et cellulaires de raltégravir, suggérant que la surveillance des taux totaux est un substitut satisfaisant. Cependant, une importante variabilité inter¬patient a été observée dans les ratios d'accumulation cellulaire du raltégravir, ce qui devrait encourager des investigations supplémentaires chez les patients en échec sous ce traitement. L'efficacité du suivi thérapeutique des médicaments (TDM) pour l'adaptation des taux d'efavirenz chez des patients avec des concentrations au-dessus de la cible thérapeutique recommandée a été évaluée lors d'une étude prospective. L'adaptation des doses d'efavirenz basée sur le TDM s'est montrée efficace et sûre, soutenant l'utilisation du TDM chez les patients avec concentrations hors cible thérapeutique. L'impact des polymorphismes génétiques des cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 et 3A4/5 sur la pharmacocinétique de l'efavirenz et de ces métabolites a été étudié : un modèle de PK de population intégrant les covariats génétiques et démographiques a été construit. Les variations génétiques fonctionnelles dans les voies de métabolisation principales (CYP2B6) et accessoires {CYP2A6et 3A4/S) de l'efavirenz ont un impact sur sa disposition, et peuvent mener à des expositions extrêmes au médicament. Un? ajustement des doses guidé par le TDM est donc recommandé chez ces patients, en accord avec les polymorphismes génétiques.Ainsi, nous avons démonté qu'en utilisant une approche globale tenant compte à la fois des facteurs PK et PG influençant l'exposition aux ARVs chez les patients infectés, il est possible, si nécessaire, d'individualiser la thérapie antirétrovirale dans des situations diverses. L'optimisation du traitement antirétroviral contribue vraisemblablement à une meilleure efficacité thérapeutique à iong terme tout en réduisant la survenue d'effets indésirables.Résumé grand publicOptimisation de la thérapie antirétrovirale: approches pharmacocinétiques et pharmacogénétiquesLes progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de llmmunodéficienoe humaine acquise (VIH) ont permis de transformer une affection mortelle en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, un certain nombre de patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement etyou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant de fréquentes modifications dans leur thérapie. Il a été possible de mettre en évidence que l'efficacité d'un traitement antirétroviral est dans la plupart des cas corrélée aux concentrations de médicaments mesurées dans le sang des patients. Cependant, le virus se réplique dans la cellule, et seule la fraction des médicaments non liée aux protéines du plasma sanguin peut entrer dans la cellule et exercer l'activité antirétrovirale au niveau cellulaire. Il existe par ailleurs une importante variabilité des concentrations sanguines de médicament chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Cette variabilité peut être due à des facteurs démographiques et/ou génétiques susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral.Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'efficacité et ta toxicité des médicaments antirétroviraux, dans le but d'individualiser la thérapie antivirale et d'améliorer le suivi des patients HIV-positifs.A cet effet, des méthodes de dosage très sensibles ont été développées pour permettre la quantification des médicaments antirétroviraux dans le sang et les cellules. Ces méthodes analytiques ont été appliquées dans le cadre de diverses études cliniques réalisées avec des patients. Une des études cliniques a recherché s'il y avait un impact des changements physiologiques liés à la grossesse sur les concentrations des médicaments antirétroviraux. Nous avons ainsi pu démontrer que la grossesse n'influençait pas de façon cliniquement significative le devenir des médicaments antirétroviraux chez les femmes enceintes HIV- positives. La posologie de médicaments ne devrait donc pas être modifiée dans cette population de patientes. Par ailleurs, d'autres études ont portés sur les variations génétiques des patients influençant l'activité enzymatique des protéines impliquées dans le métabolisme des médicaments antirétroviraux. Nous avons également étudié l'utilité d'une surveillance des concentrations de médicament (suivi thérapeutique) dans le sang des patients pour l'individualisation des traitements antiviraux. Il a été possible de mettre en évidence des relations significatives entre l'exposition aux médicaments antirétroviraux et l'existence chez les patients de certaines variations génétiques. Nos analyses ont également permis d'étudier les relations entre les concentrations dans le sang des patients et les taux mesurés dans les cellules où le virus HIV se réplique. De plus, la mesure des taux sanguins de médicaments antirétroviraux et leur interprétation a permis d'ajuster la posologie de médicaments chez les patients de façon efficace et sûre.Ainsi, la complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales s'inscrit dans l'optique d'une stratégie globale de prise en charge du patient et vise à l'individualisation de la thérapie antirétrovirale en fonction des caractéristiques propres de chaque individu. Cette approche contribue ainsi à l'optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'un succès du traitement à long terme tout en réduisant la probabilité des effets indésirables rencontrés. - The improvement in antirétroviral therapy has transformed HIV infection from an inevitably fatal condition to a chronic, manageable disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of total, free and/or cellular drug level may increase both drug efficacy and tolerability. Drug tolerability is certainly a major issue for a treatment that must be taken indefinitely.The global objective of this thesis aimed at increasing our current understanding of pharmacokinetic (PK) and pharmacogenetic (PG) factors influencing the exposition to antirétroviral drugs (ARVs) in HIV-positive patients. In turn, this should provide us with a rational basis for antiviral treatment optimisation and drug dosage adjustment in HIV- positive patients. Patient's tailored antirétroviral regimen is likely to enhance treatment effectiveness and tolerability, enabling a better compliance over time, and hence reducing the probability of emergence of viral resistance and treatment failure.To that endeavour, analytical methods for the measurement of total plasma, free and cellular concentrations of ARVs and some of their metabolites have been developed and validated using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. These assays have been applied for the monitoring of ARVs levels in various populations of HIV- positive patients. A clinical study has been initiated within the frame of the Mother and Child Swiss HIV Cohort Study to determine whether pregnancy influences the exposition to ARVs. Free and total plasma concentrations of lopinavir, atazanavir and nevirapine have been determined in pregnant women followed during the course of pregnancy, and were found not influenced to a clinically significant extent by pregnancy. Dosage adjustment for these drugs is therefore not required in pregnant women. In a study in treatment- experienced HIV-positive patients, the correlation between cellular and total plasma exposure to new antirétroviral drugs, notably the HIV integrase inhibitor raltegravir, has been determined. A good correlation was obtained between total and cellular levels of raltegravir, suggesting that monitoring of total levels are a satisfactory. However, significant inter-patient variability was observed in raltegravir cell accumulation which should prompt further investigations in patients failing under an integrase inhibitor-based regimen. The effectiveness of therapeutic drug monitoring (TDM) to guide efavirenz dose reduction in patients having concentrations above the recommended therapeutic range was evaluated in a prospective study. TDM-guided dosage adjustment of efavirenz was found feasible and safe, supporting the use of TDM in patients with efavirenz concentrations above therapeutic target. The impact of genetic polymorphisms of cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 and 3A4/5 on the PK of efavirenz and its metabolites was studied: a population PK model was built integrating both genetic and demographic covariates. Functional genetic variations in main (CYP2B6) and accessory (2A6, 3A4/5) metabolic pathways of efavirenz have an impact on efavirenz disposition, and may lead to extreme drug exposures. Dosage adjustment guided by TDM is thus required in those patients, according to the pharmacogenetic polymorphism.Thus, we have demonstrated, using a comprehensive approach taking into account both PK and PG factors influencing ARVs exposure in HIV-infected patients, the feasibility of individualising antirétroviral therapy in various situations. Antiviral treatment optimisation is likely to increase long-term treatment success while reducing the occurrence of adverse drug reactions.

Targeting anticancer therapy : clinical and preclinical approaches

AbstractCancer treatment has shifted from cytotoxic and nonspecific chemotherapy to chronic treatment with targeted molecular therapies. These new classes of drugs directed against cancer-specific molecules and signaling pathways, act at a particular level of the tumor cell development. However, in both types of therapeutic approaches (standard cytotoxic chemotherapy and targeted signal transduction inhibitions), toxicity and side effects can occur. The aim of this thesis was to investigate various approaches to improve the activity and tolerability of cancer treatment, in a clinical setting, a) by molecular targeting through the use of tyrosine kinase inhibitors (TKIs), whose dosage can be adapted to each patient according to plasma levels, and, b) in a preclinical model, by tissue targeting with locoregional administration of cytotoxic chemotherapy to increase drug exposure in the target tissue while reducing systemic toxicity of the treatment.A comprehensive program for the Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of the new class of targeted anticancer drugs of TKIs in patient's blood has been therefore initiated comprising the setting up, validation and clinical application of a multiplex assay by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry of TKIs in plasma from cancer patients. Information on drugs exposure may be clinically useful for an optimal follow-up of patients' anticancer treatment, especially in case of less than optimal clinical response, occurrence of adverse drug reaction effects and the numerous risks of drug-drug interactions. In this context, better knowledge of the potential drug interactions between TKIs and widely prescribed co- medications is of critical importance for clinicians, to improve their daily care of cancer patients. For one of the first TKI imatinib, TDM interpretation is nowadays based on total plasma concentrations but, only the unbound (free) form is likely to enter cell to exert its pharmacological action. Pharmacokinetic analysis of the total and free plasma level of imatinib measured simultaneously in patients have allowed to refine and validate a population pharmacokinetic model integrating factors influencing in patients the exposure of pharmacological active species. The equation developed from this model may be used for extrapolating free imatinib plasma concentration based on the total plasma levels that are currently measured in TDM from patients. Finally, the specific influence of Pglycoprotein on the intracellular disposition of TKIs has been studies in cell systems using the siRNA silencing approach.Another approach to enhance the selectivity of anticancer treatment may be achieved by the loco-regional administration of a cytostatic agent to the target organ while sparing non- affected tissues. Isolated lung perfusion (ILP) was designed for the treatment of loco-regional malignancies of the lung but clinical results have been so far disappointing. It has been shown in a preclinical model in rats that ILP with the cytotoxic agent doxorubicin alone allows a high drug uptake in lung tissue, and a low systemic toxicity, but was characterized by a high spatial tissular heterogeneity in drug exposure and doxorubicin uptake in tumor was comparatively smaller than in normal lung tissue. Photodynamic therapy (PDT) is a new approach for the treatment of superficial tumors, and implies the application of a sensitizer activated by a laser light at a specific wavelength, that disrupts endothelial barrier of tumor vessels to increase locally the distribution of cytostatics into the tumor tissue. PDT pre-treatment before intravenous administration of liposomal doxorubicin was indeed shown to selectively increase drug uptake in tumors in a rat model of sarcoma tumors to the lung.RésuméLe traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et est passé de la chimiothérapie, cytotoxique et non spécifique, au traitement chronique des patients avec des thérapies moléculaires ciblées. Ces médicaments ont une action ciblée en interférant à un niveau spécifique du développement de la cellule tumorale. Dans les deux types d'approches thérapeutiques (chimiothérapie cytotoxique et traitements ciblés), on est confronté à la présence de toxicité et aux effets secondaires du traitement anticancéreux. Le but de cette thèse a donc été d'étudier diverses approches visant à améliorer l'efficacité et la tolérabilité du traitement anticancéreux, a) dans le cadre d'une recherche clinique, par le ciblage moléculaire grâce aux inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs) dont la posologie est adaptée à chaque patient, et b) dans un modèle préclinique, par le ciblage tissulaire grâce à l'administration locorégionale de chimiothérapie cytotoxique, afin d'augmenter l'exposition dans le tissu cible et de réduire la toxicité systémique du traitement.Un programme de recherche sur le suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) des inhibiteurs de tyrosine kinases a été ainsi mis en place et a impliqué le développement, la validation et l'application clinique d'une méthode multiplex par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem des TKIs chez les patients souffrant de cancer. L'information fournie par le TDM sur l'exposition des patients aux traitements ciblés est cliniquement utile et est susceptible d'optimiser la dose administrée, notamment dans les cas où la réponse clinique au traitement des patients est sous-optimale, en présence d'effets secondaires du traitement ciblé, ou lorsque des risques d'interactions médicamenteuses sont suspectés. Dans ce contexte, l'étude des interactions entre les TKIs et les co-médications couramment associées est utile pour les cliniciens en charge d'améliorer au jour le jour la prise en charge du traitement anticancéreux. Pour le premier TKI imatinib, l'interprétation TDM est actuellement basée sur la mesure des concentrations plasmatiques totales alors que seule la fraction libre (médicament non lié aux protéines plasmatiques circulantes) est susceptible de pénétrer dans la cellule pour exercer son action pharmacologique. L'analyse pharmacocinétique des taux plasmatiques totaux et libres d'imatinib mesurés simultanément chez les patients a permis d'affiner et de valider un modèle de pharmacocinétique de population qui intègre les facteurs influençant l'exposition à la fraction de médicament pharmacologiquement active. L'équation développée à partir de ce modèle permet d'extrapoler les concentrations libres d'imatinib à partir des concentrations plasmatiques totales qui sont actuellement mesurées lors du TDM des patients. Finalement, l'influence de la P-glycoprotéine sur la disposition cellulaire des TKIs a été étudiée dans un modèle cellulaire utilisant l'approche par la technologie du siRNA permettant de bloquer sélectivement l'expression du gène de cette protéine d'efflux des médicaments.Une autre approche pour augmenter la sélectivité du traitement anticancéreux consiste en une administration loco-régionale d'un agent cytostatique directement au sein de l'organe cible tout en préservant les tissus sains. La perfusion isolée du poumon (ILP) a été conçue pour le traitement loco-régional des cancers affectant les tissus pulmonaires mais les résultats cliniques ont été jusqu'à ce jour décevants. Dans des modèles précliniques chez le rat, il a pu être démontré que l'ILP avec la doxorubicine, un agent cytotoxique, administré seul, permet une exposition élevée au niveau du tissu pulmonaire, et une faible toxicité systémique. Toutefois, cette technique est caractérisée par une importante variabilité de la distribution dans les tissus pulmonaires et une pénétration du médicament au sein de la tumeur comparativement plus faible que dans les tissus sains.La thérapie photodynamique (PDT) est une nouvelle approche pour le traitement des tumeurs superficielles, qui consiste en l'application d'un agent sensibilisateur activé par une lumière laser de longueur d'onde spécifique, qui perturbe l'intégrité physiologique de la barrière endothéliale des vaisseaux alimentant la tumeur et permet d'augmenter localement la pénétration des agents cytostatiques.Nos études ont montré qu'un pré-traitement par PDT permet d'augmenter sélectivement l'absorption de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration i.v. de doxorubicine liposomale dans un modèle de sarcome de poumons de rongeurs.Résumé large publicDepuis une dizaine d'année, le traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et les patients qui devaient jusqu'alors subir des chimiothérapies, toxiques et non spécifiques, peuvent maintenant bénéficier de traitements chroniques avec des thérapies ciblées. Avec les deux types d'approches thérapeutiques, on reste cependant confronté à la toxicité et aux effets secondaires du traitement.Le but de cette thèse a été d'étudier chez les patients et dans des modèles précliniques les diverses approches visant à améliorer l'activité et la tolérance des traitements à travers un meilleur ciblage de la thérapie anticancéreuse. Cet effort de recherche nous a conduits à nous intéresser à l'optimisation du traitement par les inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs), une nouvelle génération d'agents anticancéreux ciblés agissant sélectivement sur les cellules tumorales, en particulier chez les patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeurs stromales gastro-intestinales. L'activité clinique ainsi que la toxicité de ces TKIs paraissent dépendre non pas de la dose de médicament administrée, mais de la quantité de médicaments circulant dans le sang auxquelles les tumeurs cancéreuses sont exposées et qui varient beaucoup d'un patient à l'autre. A cet effet, nous avons développé une méthode par chromatographie couplée à la spectrométrie de masse pour mesurer chez les patients les taux de médicaments de la classe des TKIs dans la perspective de piloter le traitement par une approche de suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM). Le TDM repose sur la mesure de la quantité de médicament dans le sang d'un patient dans le but d'adapter individuellement la posologie la plus appropriée: des quantités insuffisantes de médicament dans le sang peuvent conduire à un échec thérapeutique alors qu'un taux sanguin excessif peut entraîner des manifestations toxiques.Dans une seconde partie préclinique, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de la chimiothérapie loco-régionale dans un modèle de sarcome du poumon chez le rat, afin d'augmenter l'exposition dans la tumeur tout en réduisant la toxicité dans les tissus non affectés.La perfusion isolée du poumon (ILP) permet d'administrer un médicament anticancéreux cytotoxique comme la doxorubicine, sélectivement au niveau le tissu pulmonaire où sont généralement localisées les métastases de sarcome. L'administration par ILP de doxorubicine, toxique pour le coeur, a permis une forte accumulation des médicaments dans le poumon, tout en épargnant le coeur. Il a été malheureusement constaté que la doxorubicine ne pénètre que faiblement dans la tumeur sarcomateuse, témoignant des réponses cliniques décevantes observées avec cette approche en clinique. Nous avons ainsi étudié l'impact sur la pénétration tumorale de l'association d'une chimiothérapie cytotoxique avec la thérapie photodynamique (PDT) qui consiste en l'irradiation spécifique du tissu-cible cancéreux, après l'administration d'un agent photosensibilisateur. Dans ce modèle animal, nous avons observé qu'un traitement par PDT permet effectivement d'augmenter de façon sélective l'accumulation de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration intraveineuse de médicament.

Mechanisms of spindle positioning during "Caenorhabditis elgans" asymmetric cell division

Résumé : Le positionnement correct du fuseau mitotique est crucial pour les divisions cellulaires asymétriques, car il gouverne le contrôle spatial de la division cellulaire et assure la ségrégation adéquate des déterminants cellulaires. Malgré leur importance, les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique sont encore mal compris. Chez l'embryon au stade une-cellule du nématode Caenorhabditis elegans, le fuseau mitotique est positionné de manière asymétrique durant l'anaphase grâce à l'action de générateurs de force situés au cortex cellulaire, et dont la nature était jusqu'alors indéterminée. Ces générateurs de force corticaux exercent une traction sur les microtubules astraux et sont dépendants de deux protéines Gα et de leurs protéines associées. Cette thèse traite de la nature de la machinerie responsable pour la génération des forces de tractions, ainsi que de son lien avec les protéines Gα et associées. Nous avons combiné des expériences de coupure par faisceau laser du fuseau mitotique avec le contrôle temporel de l'inactivation de gènes ou de l'exposition à des produits pharmacologiques. De cette manière, nous avons établi que la dynéine, un moteur se déplaçant vers l'extrémité négative des microtubules, ainsi que la dynamique des microtubules, sont toutes deux requises pour la génération efficace des forces de tractions. Nous avons démontré que les protéines Gα et leurs protéines associées GPR-1/2 et LIN-5 interagissent in vivo avec LIS-1, un composant du complexe de la dynéine. De plus, nous avons découvert que les protéines Gα, GPR-1/2 et LIN-5 promeuvent la présence du complexe de la dynéine au cortex cellulaire. Nos résultats suggèrent un mécanisme par lequel les protéines Gα permettent le recrutement cortical de GPR-1/2 et LIN-5, assurant ainsi la présence de la dynéine au cortex. Conjointement avec la dynamique des microtubules, ce mécanisme permet la génération des forces de tractions afin d'obtenir une division cellulaire correcte. Comme les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique et les divisions cellulaires asymétriques sont conservés au cours de l'évolution, nous espérons que les mécanismes élucidés par ce travail sont d'importance générale pour la génération de la diversité cellulaire durant le développement. De plus, ces mécanismes pourraient être applicables à d'autres divisions asymétriques, comme celle des cellules souches, dont le disfonctionnement peut entraîner la génération de cellules cancéreuses. Abstract : Proper spindle positioning is crucial for asymmetric cell division, because it controls spatial aspects of cell division and the correct inheritance of cell-fate determinants. However, the mechanisms governing spindle positioning remain incompletely understood. In the Caenorhabditis elegans one-cell stage embryo, the spindle becomes asymmetrically positioned during anaphase through the action of as-yet unidentified cortical force generators that pull on astral microtubules and that depend on two Gα proteins and associated proteins. This thesis addresses the nature of the force generation machinery and the link with the Gα and associated proteins. By performing spindle-severing experiments following temporally restricted gene inactivation and drug exposure, we established that microtubule dynamics and the minus-end directed motor dynein are both required for generating efficient pulling forces. We discovered that the Gα proteins and their associated proteins GPR-1/2 and LIN-5 interact in vivo with LIS-1, a component of the dynein complex. Moreover, we uncovered that LIN-5, GPR-1/2 and the Gα proteins promote the presence of the dynein complex at the cell cortex. Our findings suggest a mechanism by which the Gα proteins enable GPR-1/2 and LIN-5 recruitment to the cortex, thus ensuring the presence of cortical dynein. Together with microtubule dynamics, this allows pulling forces to be exerted and proper cell division to be achieved. Because the mechanisms of spindle positioning and asymmetric cell division are conserved across evolution, we expect the underlying mechanism uncovered here to be of broad significance for the generation of cell diversity during development. Moreover, this mechanism could be relevant for other asymmetric cell divisions, such as stem cell divisions, whose dysfunction may lead to the generation of cancer cells.

Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

Initiation de l'adhésion leucocytaire : rôle des fucosyltransférases et des ligands des sélectines

RESUME La dissémination extramédullaire des cellules blastiques est une complication majeure des leucémies myéloïdes (LMA) ou lymphoïdes aiguës (LLA). La migration des cellules blastiques dépend de mécanismes semblables à ceux qui régulent la migration des leucocytes dans un site d'inflammation. Parmi ceux-ci, les oligosaccharides fucosylés décorant les ligands des sélectines jouent un rôle clé en interagissant avec les sélectines. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) est une protéine de 240 kD, exprimée à la surface des leucocytes, permettant de soutenir le roulement leucocytaire sur les sélectines, le long de la paroi vasculaire. L'interaction de PSGL-1 avec les sélectines nécessite des modifications post-traductionnelles de type sialylation, sulfatation , N et 0-glycosylation. Parmi les enzymes impliqués, les α1,3-fucosyltransférases jouent un rôle important dans la biosynthèse d'oligosaccharides fucosylés, ligands des sélectines (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Comme l'expression des α1,3-fucosyltransférases par les cellules blastiques leucémiques n'a pas été étudiée précédemment, nous l'avons recherchée dans 120 cas de leucémies aiguës. Les ARNm des FucT-IV et -VII ont été détectés, par RT-PCR, dans tous les cas testés. L'ARNm de la FucT-IX n'a été observé que dans 40% des leucémies aiguës (48/120). L'ARNm de la FucT-IX est détecté dans 65% des LMA (47/72) et, moins fréquemment, dans 26% des LLA (11/42). A noter que les cas de LLA exprimant la FucT-IX correspondent essentiellement à des LLA secondaires à la transformation d'une leucémie myéloïde chronique ou des LLA de la lignée B de type leucémie/lymphome de Burkitt. L'expression de PSGL-1 et des oligosaccharides fucosylés par les blastes varie significativement parmi les LMA et les LLA : Lex, VIM-2 et sLex étant exprimés plus fréquemment par les myéloblastes que par les lymphoblastes. Le rôle des FucT-IV, -VII et -IX dans la synthèse des Lex, VIM-2, CLA et sLex a été examiné en exprimant l'ADNc de chaque FucT dans des cellules CHO. L'immunophénotypisation des transfectants indique que la FucT-VII synthétise sLex et CLA, mais pas Lex et VIM-2. Lex et VIM-2 sont générés par la FucT-IV. La FucT-IX ne participe qu'à la synthèse de Lex, sa capacité de synthèse de VIM-2 dans les cellules CHO est très faible. Le rôle de la FucT-IX dans la régulation du roulement cellulaire dépendant des sélectines a été testé dans des conditions de flux. Les vitesses de roulement des cellules CHO co-exprimant la FucT-LX, la core-2 01,6-N-acetylglucosaminyltransferase et PSGL-1 sont très élevées sur la P-sélectine (médiane : 497.95 µm/s, n=96) alors qu'elles sont beaucoup plus lentes sur la E-sélectine (médiane 7 µm/s, n=64). Les recrutements sur la E-sélectine des cellules CHO-C2F9PSGL¬1 et des CHO-C2F7PSGL-1 sont similaires (moyenne ± SEM : 127.44 ± 4.38 vs. 151.16 ± 3.16 cellules/min/mm2, n=5). Celui des cellules CHO-C2F4PSGL-1 est par contre plus faible (54.20 ± 2.13 cellules/min/mm2, n=5). Ces résultats indiquent que la FucT-IX est impliquée dans la biosynthèse de Lex, VIM-2 et CLA et qu'elle régule l'interaction des cellules CHO avec la E-sélectine. Contrairement aux FucT-IV et -VII, la FucT-IX ne joue qu'un rôle mineur dans la régulation du roulement cellulaire sur la L- et la P-sélectine. L'expression fréquente de la FucT-IX par les myéloblastes suggère qu'elle pourrait participer avec les FucT-IV et -VII à la régulation de la migration cellulaire dépendant de la E-sélectine. Finalement, ce travail de thèse a été étendu à l'identification des protéines cytoplasmiques qui interagissent avec le domaine cytoplasmique de PSGL-1 et qui pourraient être impliquées dans la transmission de signaux intracellulaires. Les ligands intracellulaires de PSGL-1 seront identifiés par la technique du double hybride qui nous a déjà permis de confirmer que syk et la N-moésine se lient au domaine cytoplasmique de PSGL-1. Des ligands supplémentaires seront identifiés employant une librairie provenant des cellules souches hématopoïétiques comme proie. ABSTRACT Blast cell dissemination is a major complication of acute myeloblastic (AML) and lymphoblastic leukemia (ALL). Blast cell migration is dependent on mechanisms that are similar to those which regulate leukocyte migration into inflammatory lesions. Among them, fticosylated oligosaccharides that decorate selectin ligands play a key role by interacting with selectins. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) is a 240 kD glycoprotein constitutively expressed on leucocytes and which supports leukocyte rolling on selectins. PSGL-1 interaction with selectins is dependent on post-translational modifications such as sialylation, sulfation, N- and 0-glycosylation. Among the involved enzymes, the α1,3-fucosyltransferases (FucT) play a major role in generating cell surface glycoconjugates carrying fucosylated oligosaccharides which interact with selectins (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Since no information is available on the expression of α1,3-fucosyltransferases by leukemic blast cells, we examined it in 120 cases of acute leukemia. FucT-IV and -VII mRNAs were detected, by RT-PCR, in all tested cases. In contrast, the presence of FucT-IX mRNA was shown in only 40% of patients with acute leukemia (48/120). FucT-IX mRNA was detected in 65% of AML (47/72) and, less frequently, in 26% of ALL (11/42). Importantly, all ALL cases expressing FucT-IX were either secondary leukemia resulting from the transformation of chronic myelocytic leukemia in acute lymphoblastic leukemia or mature B-ALL (FAB L3 subtype or Burkitt lymphoma/leukemia according to WHO classification). FucT-IX was not detected in precursor B or T-ALL. The expression of PSGL-1 and fucosylated epitopes was significantly different among AML and ALL, Lex, VIM-2 and sLex being more frequently expressed by myeloblasts than by lymphoblasts. The role of FucT-IV, -VII and -IX in the biosynthesis of Lex, VIM-2, CLA and sLex was examined by expressing the cDNA of each α1,3-FucT in CHO cells. Immunophenotypic analysis of CHO transfectants indicated that FucT-VII synthesizes sLex and CLA but not Lex or VIM-2. Lex and CLA were generated by both FucT-IV and -IX. FucT-IV and FucT-IX differed in their ability to synthesize VIM-2, FucT-IX being less efficient than FucT-IV. The role of FucT-IX in regulating selectin-dependent rolling was assessed under hydrodynamic flow conditions. P-selectin-dependent interactions were transient and occurred at high velocities (median: 497.95 1,µm/s, n=96). In contrast, much slower rolling velocities were observed on E-selectin (median: 7 µm/s, n=64). The recruitment of CHO-C2F9PSGL-1 and CHO-C2F7PSGL-1 cells was similar on E-selectin (mean ± SEM: 127.44 ± 4.38, n=5 vs 151.16 ± 3.16 cells/min/mm2, n=5). In the other hand, CHO-C2F4PSGL-1 cells were less efficiently recruited on E-selectin (54.20 ± 2.13 cells/min/mm2, n=5). This results indicate that FucT-IX is involved in the biosynthesis of Lex, VIM-2 and CLA and that it confers E-selectin binding activity to CHO cells. By contrast to FucT-IV and -VII, FucT-IX had a minor role in regulating P- and L-selectin-dependent rolling on CHO transfectants. The frequent expression of FucT-IX in myeloblasts suggests that it may participate with FucT-IV and -VII in regulating E-selectin-dependent cell migration into tissues. Finally, this thesis work was extended to the identification of the cytoplasmic proteins interacting with cytoplasmic domain of PSGL-1 that may be involved in transducing intracellular signals. We planned to identify these intracellular ligands of PSGL-1 by using the double hybrid technique and already confirmed that syk and N-moesin bind to the cytoplasmic domain of PSGL-1. Additional PSGL-1 ligands will be sought by the same technique using a CD34+ stem cell library as pray. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC : L'adhésion et la migration leucocytaire sont nécessaires à de nombreux processus cellulaires comme la régulation de l'hématopoïèse, mais aussi dans la pathogenèse de l'artériosclérose, des maladies inflammatoires et de la métastatisation des cellules cancéreuses. Les molécules impliquées constituent depuis peu des cibles pour la thérapie du cancer. La migration leucocytaire vers un site d'inflammation dépend de mécanismes complexes, se déroulant en plusieurs étapes, nécessitant l'interaction séquentielle de molécules d'adhésion leucocytaires et endothéliales. Ainsi, chronologiquement, suite à un stimulus inflammatoire, les leucocytes « roulent » sur les cellules endothéliales, sont activées, s'arrêtent et traversent la paroi endothéliale (diapédèse) pour migrer dans les tissus environnants inflammés selon un gradient chimiotactique. La première étape de roulement met en jeu deux molécules principales : PSGL-1 (P-Sélectine Glycoprotéine Ligand-1) du coté des leucocytes et les sélectines du coté de l'endothélium de la paroi vasculaire. L'interaction entre ces deux molécules nécessite des décorations de ces protéines par des sucres, des résidus sulfates et des acides sialiques. Le sucre essentiel à la liaison demeure le fucose qui est attaché aux protéines grâce à des enzymes de la famille des fucosyltransferases. Actuellement, neuf fucosyltransférases humaines ont été identifiées et désignées sous FucT-I à IX. La FucT-IX, dernière fucosyltransférase clonée, a un faible degré d'homologie avec les autres fucosyltransférases mais sa séquence est extrêmement conservée entre les espèces. Ceci traduit son importance par une forte résistance à la pression évolutive. L'examen de son expression au sein de 120 cas de leucémies aiguës a mis en évidence son comportement atypique. En effet, alors que les autres FucTs sont toujours présentes, la FucT¬IX ne s'exprime que dans un cas sur deux en moyenne avec une préférence plus importante pour les leucémies myéloïdes. Ainsi, une étude plus approfondie de cet enzyme à mis en évidence sa capacité à induire une interaction cellulaire plus spécifique de la E-sélectine. Elle décore non seulement des protéines de surface, mais aussi certainement les glycolipides constituant la membrane cellulaire.

Evolution and functional characterisation of the IR chemosensory receptors in the Drosophila larval gustatory system

Chemosensory receptor gene families encode divergent proteins capable of detecting a huge diversity of environmental stimuli that are constantly changing over evolutionary time as organisms adapt to distinct ecological niches. While olfaction is dedicated to the detection of volatile compounds, taste is key to assess food quality for nutritional value and presence of toxic substances. The sense of taste also provides initial signals to mediate endocrine regulation of appetite and food metabolism and plays a role in kin recognition. The fruit fly Drosophila melanogaster is a very good model for studying smell and taste because these senses are very important in insects and because a broad variety of genetic tools are available in Drosophila. Recently, a family of 66 chemosensory receptors, the Ionotropic Receptors (IRs) was described in fruit flies. IRs are distantly related to ionotropic glutamate receptors (iGluRs), but their evolutionary origin from these synaptic receptors is unclear. While 16 IRs are expressed in the olfactory system, nothing is known about the other members of this repertoire. In this thesis, I describe bioinformatic, expression and functional analyses of the IRs aimed at understanding how these receptors have evolved, and at characterising the role of the non-olfactory IRs. I show that these have emerged at the basis of the protostome lineage and probably have acquired their sensory function very early. Moreover, although several IRs are conserved across insects, there are rapid and dramatic changes in the size and divergence of IR repertoires across species. I then performed a comprehensive analysis of IR expression in the larva of Drosophila melanogaster, which is a good model to study taste and feeding mechanisms as it spends most of its time eating or foraging. I found that most of the divergent members of the IR repertoire are expressed in both peripheral and internal gustatory neurons, suggesting that these are involved in taste perception. Finally, through the establishment of a new neurophysiological assay in larvae, I identified for the first time subsets of IR neurons that preferentially detect sugars and amino acids, indicating that IRs might be involved in sensing these compounds. Together, my results indicate that IRs are an evolutionarily dynamic and functionally versatile family of receptors. In contrast to the olfactory IRs that are well-conserved, gustatory IRs are rapidly evolving species-specific receptors that are likely to be involved in detecting a wide variety of tastants. - La plupart des animaux possèdent de grandes familles de récepteurs chimiosensoriels dont la fonction est de détecter l'immense diversité de composés chimiques présents dans l'environnement. Ces récepteurs évoluent en même temps que les organismes s'adaptent à leur écosystème. Il existe deux manières de percevoir ces signaux chimiques : l'olfaction et le goût. Alors que le système olfactif perçoit les composés volatiles, le sens du goût permet d'évaluer, par contact, la qualité de la nourriture, de détecter des substances toxiques et de réguler l'appétit et le métabolisme. L'un des organismes modèles les plus pertinents pour étudier le sens du goût est le stade larvaire de la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster. En effet, la principale fonction du stade larvaire est de trouver de la nourriture et de manger. De plus, il est possible d'utiliser tous les outils génétiques développés chez la drosophile. Récemment, une nouvelle famille de 66 récepteurs chimiosensoriels appelés Récepteurs Ionotropiques (IRs) a été découverte chez la drosophile. Bien que leur orogine soit peu claire, ces récepteurs sont similaires aux récepteurs ionotropiques glutamatergiques impliqués dans la transmission synaptique. 16 IRs sont exprimés dans le système olfactif de la mouche adulte, mais pour l'instant on ne connaît rien des autres membres de cette famille. Durant ma thèse, j'ai effectué des recherches sur l'évolution de ces récepteurs ainsi que sur l'expression et la fonction des IRs non olfactifs. Je démontre que les IRs sont apparus chez l'ancêtre commun des protostomiens et ont probablement acquis leur fonction sensorielle très rapidement. De plus, bien qu'un certain nombre d'IRs olfactifs soient conservés chez les insectes, d'importantes variations dans la taille et la divergence des répertoires d'IRs entre les espèces ont été constatées. J'ai également découvert qu'un grand nombre d'IRs non olfactifs sont exprimés dans différents organes gustatifs, ce qui leur confère probablement une fonction dans la perception des goûts. Finalement, pour la première fois, des neurones exprimant des IRs ont été identifiés pour leur fonction dans la perception de sucres et d'acides aminés chez la larve. Mes résultats présentent les IRs comme une famille très dynamique, aux fonctions très variées, qui joue un rôle tant dans l'odorat que dans le goût, et dont la fonction est restée importante tout au long de l'évolution. De plus, l'identification de neurones spécialisés dans la perception de certains composés permettra l'étude des circuits neuronaux impliqués dans le traitement de ces informations.