Dynamin-SNARE interactions control trans-SNARE formation in intracellular membrane fusion.

The fundamental processes of membrane fission and fusion determine size and copy numbers of intracellular organelles. Although SNARE proteins and tethering complexes mediate intracellular membrane fusion, fission requires the presence of dynamin or dynamin-related proteins. Here we study these reactions in native yeast vacuoles and find that the yeast dynamin homologue Vps1 is not only an essential part of the fission machinery, but also controls membrane fusion by generating an active Qa SNARE-tethering complex pool, which is essential for trans-SNARE formation. Our findings provide new insight into the role of dynamins in membrane fusion by directly acting on SNARE proteins.

Lassa virus entry in antigen presenting cells and evaluation of a novel nanoparticle vaccine platform against arena viruses

Arenaviruses are a large and diverse family of viruses that merit significant attention as causative agents of severe hemorrhagic fevers in humans. Lassa virus (LASV) in Africa and the South American hemorrhagic fever viruses Junin (JUNV), Machupo (MACV), and Guanarito (GTOV) have emerged as important human pathogens and represent serious public health problems in their respective endemic areas. A hallmark of fatal arenaviruses hemorrhagic fevers is a marked immunosuppression of the infected patients. Antigen presenting cells (APCs) such as macrophages and in particular dendritic cells (DCs) are early and preferred targets of arenaviruses infection. Instead of being recognized and presented as foreign antigens by DCs, arenaviruses subvert the normal mechanisms of pathogen recognition, invade DCs and establish a productive infection. Viral replication perturbs the DCs' ability to present antigens and to activate T and B cells, contributing to the marked virus-induced immunosuppression observed in fatal disease. Considering their crucial role in the development of an anti-viral immune response, the mechanisms by which arenaviruses, and in particular LASV, invade DCs are of particular interest. The C-type lectin DC-specific Intercellular adhesion molecule-3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN) was recently identified as a potential entry receptor for LASV. The first project of my thesis focused therefore on the investigation of the role of DC-SIGN in LASV entry into primary human DCs. My data revealed that DC-SIGN serves as an attachment factor for LASV on human DCs and can facilitate capture of free virus and subsequent cell entry. However, in contrast to other emerging viruses, of the phlebovirus family, I found that DC-SIGN does likely not function as an authentic entry receptor for LASV. Moreover, I was able to show that LASV enters DCs via an unusually slow pathway that depends on actin, but is independent of clathrin and dynamin. Considering the lack of effective treatments and the limited public health infrastructure in endemic regions, the development of protective vaccines against arenaviruses is an urgent need. To address this issue, the second project of my thesis aimed at the development of a novel recombinant arenavirus vaccine based on a nanoparticle (NPs) platform and its evaluation in a small animal model. During the first phase of the project I designed, produced, and characterized suitable vaccine antigens. In the second phase of the project, I generated antigen-conjugated NPs, developed vaccine formulations, and tested the NPs for their ability to elicit anti-viral T cell responses as well as anti-viral antibodies. I demonstrated that the NPs platform is able to activate both cellular and humoral branches of the adaptive anti-viral immunity, providing proof-of-principle. In sum, my first project will allow, in a long term perspective, a better understanding of the viral pathogenesis and contribute to the development of novel antiviral strategies. The second project will expectidly offer a new treatment option against arenaviruses.

Characterization of high osmolarity-induced vacuole fragmentation in "Saccharomyces c."

La majorité des organelles d'une cellule adaptent leur nombre et leur taille pendant les processus de division cellulaire, de trafic vésiculaire ou suite à des changements environnementaux par des processus de fusion et de fragmentation membranaires. Ceci est valable notamment pour le golgi, les mitochondries, les péroxisomes et les lysosomes. La vacuole est le compartiment terminal de la voie endocytaire dans la levure Saccharomyces cerevisiae\ elle correspond aux lysosomes des cellules mammifères. Suite à un choc hyperosmotique, la vacuole se fragmente en plusieurs petites vésicules. Durant ce projet, cette fragmentation a été étudiée en utilisant la technique de microscopie confocale in vivo. J'ai observé que la division de la vacuole se produit d'une façon asymétrique. La première minute après le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase est dépendante de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que d'un gradient transmembranaire de protons. Pendant les 10-15 minutes qui suivent, des vésicules se détachent dans les régions où l'on observe les invaginations pendant la phase initiale. Cette deuxième phase qui mène à la fission des nouveaux compartiments vacuolaires dépend de la production du lipide PI(3,5)P2 par la protéine Fab1. J'ai établi la suite des événements du processus de fragmentation des vacuoles et propose la possibilité d'un rôle régulateur de la protéine kinase cycline-dépendante Pho85.¦En outre, j'ai tenté d'éclaircir plus spécifiquement le rôle de Vps1 pendant la fusion et fission des vacuoles. J'ai trouvé que tous les deux processus sont dépendants de l'activité GTPase de cette protéine. De plus l'association avec la membrane vacuolaire paraît régulée par le cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'un autre facteur protéinique, ce qui permet de conclure à une interaction directe avec des lipides de la membrane. Cette interaction est au moins partiellement effectuée par le domaine GTPase, ce qui est une nouveauté pour un membre de cette famille de protéines. Une deuxième partie de Vps1, nommée insert B, est impliquée dans la liaison à la vacuole, soit par interaction directe avec la membrane, soit par régulation du domaine GTPase. En assumant que Vps1 détienne deux régions capables de liaison aux membranes, je conclus qu'elle pourrait fonctionner comme facteur de « tethering » lors de la fusion des vacuoles.¦-¦La cellule contient plusieurs sous-unités, appelées organelles, possédant chacune une fonction spécifique. Dépendant des processus qui s'y déroulent à l'intérieur, un environnement chimique spécifique est requis. Pour maintenir ces différentes conditions, les organelles sont séparées par des membranes. Lors de la division cellulaire ou en adaptation à des changements de milieu, les organelles doivent être capables de modifier leur morphologie. Cette adaptation a souvent lieu par fusion ou division des organelles. Le même principe est valable pour la vacuole dans la levure. La vacuole est une organelle qui sert principalement au stockage des aliments et à la dégradation des différents composants cellulaires. Alors que la fusion des vacuoles est un processus déjà bien décrit, la fragmentation des vacuoles a jusqu'ici été peu étudiée. Elle peut être induit par un choc osmotique: à cause de la concentration de sel élevé dans le milieu, le cytosol de la levure perd de l'eau. Par un flux d'eau de la vacuole au cytosol, la cellule est capable d'équilibrer celui-ci. Quand la vacuole perd du volume, elle doit réadapter le rapport entre surface membranaire et volume, ce qui se fait efficacement par une fragmentation d'une grande vacuole en plusieurs petites vésicules. Comment ce processus se déroule d'un point de vue morphologique n'a pas été décrit jusqu'à présent. En analysant la fragmentation vacuolaire par microscopie, j'ai trouvé que celle-ci se déroule en deux phases. Pendant la première minute suivant le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase dépend de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que du gradient transmembranaire de protons. Ce gradient s'établit par une pompe membranaire, la V-ATPase, qui transporte des protons dans la vacuole en utilisant l'énergie libérée par hydrolyse d'ATP. Après cette phase initiale, la formation de nouvelles vésicules vacuolaires dépend de la synthèse du lipide PI(3,5)P2.¦Dans la deuxième partie de l'étude, j'ai tenté de décrire comment Vps1 lie la membrane pour effectuer un remodelage de la vacuole. Vps1 est nécessaire pour la fusion et la fragmentation des vacuoles. J'ai découvert que tous les deux processus dépendent de sa capacité d'hydrolyser du GTP. Ainsi l'association avec la membrane est couplée au cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'une autre protéine, et interagit donc très probablement avec les lipides de la membrane. Deux parties différentes de la protéine sont impliquées dans la liaison, dont une, inattendue, le domaine GTPase.¦-¦Numerous organelles undergo membrane fission and fusion events during cell division, vesicular traffic, or in response to changes in environmental conditions. Examples include Golgi (Acharya et al., 1998) mitochondria (Bleazard et al., 1999) peroxisomes (Kuravi et al., 2006) and lysosomes (Ward et al., 1997). In the yeast Saccharomyces cerevisiae the vacuole is the terminal component of the endocytic pathway and corresponds to lysosomes in mammalian cells. Yeast vacuoles fragment into multiple small vesicles in response to a hypertonic shock. This rapid and homogeneous reaction can serve as a model to study the requirements of the fragmentation process. Here, I investigated osmotically induced fragmentation by time-lapse microscopy. I observe that the small fragmentation products originate directly from the large central vacuole by asymmetric scission rather than by consecutive equal divisions and that fragmentation occurs in two distinct phases. During the first minute, vacuoles shrink and generate deep invaginations, leaving behind tubular structures. This phase requires the dynamin-like GTPase Vps1 and the vacuolar proton gradient. In the subsequent 10-15 minutes, vesicles pinch off from the tubular structures in a polarized fashion, directly generating fragmentation products of the final size. This phase depends on the production of phosphatidylinositol- 3,5-bisphosphate by the Fab1 complex. I suggest a possible regulation of vacuole fragmentation by the CDK Pho85. Based on my microscopy study I established a sequential involvement of the different fission factors.¦In addition to the morphological description of vacuole fragmentation I more specifically aimed to shed some light on the role of Vps1 in vacuole fragmentation and fusion. I find that both functions are dependent on the GTPase activity of the protein and that also the membrane association of the dynamin-like protein is coupled to the GTPase cycle. I found that Vps1 has the capacity for direct lipid binding on the vacuole and that this lipid binding is at least partially mediated through residues in the GTPase domain, a complete novelty for a dynamin family member. A second stretch located in the region of insert Β has also membrane-binding activity or regulates the association with the vacuole through the GTPase domain. Under the assumption of two membrane-binding regions I speculate on Vps1 as a possible tethering factor for vacuole fusion.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Cell-free reconstitution of vacuole membrane fragmentation reveals regulation of vacuole size and number by TORC1.

Size and copy number of organelles are influenced by an equilibrium of membrane fusion and fission. We studied this equilibrium on vacuoles-the lysosomes of yeast. Vacuole fusion can readily be reconstituted and quantified in vitro, but it had not been possible to study fission of the organelle in a similar way. Here we present a cell-free system that reconstitutes fragmentation of purified yeast vacuoles (lysosomes) into smaller vesicles. Fragmentation in vitro reproduces physiological aspects. It requires the dynamin-like GTPase Vps1p, V-ATPase pump activity, cytosolic proteins, and ATP and GTP hydrolysis. We used the in vitro system to show that the vacuole-associated TOR complex 1 (TORC1) stimulates vacuole fragmentation but not the opposing reaction of vacuole fusion. Under nutrient restriction, TORC1 is inactivated, and the continuing fusion activity then dominates the fusion/fission equilibrium, decreasing the copy number and increasing the volume of the vacuolar compartment. This result can explain why nutrient restriction not only induces autophagy and a massive buildup of vacuolar/lysosomal hydrolases, but also leads to a concomitant increase in volume of the vacuolar compartment by coalescence of the organelles into a single large compartment.

The extended GLUT-family of sugar/polyol transport facilitators: nomenclature, sequence characteristics, and potential function of its novel members (review).

During the last 2 years, several novel genes that encode glucose transporter-like proteins have been identified and characterized. Because of their sequence similarity with GLUT1, these genes appear to belong to the family of solute carriers 2A (SLC2A, protein symbol GLUT). Sequence comparisons of all 13 family members allow the definition of characteristic sugar/polyol transporter signatures: (1) the presence of 12 membrane-spanning helices, (2) seven conserved glycine residues in the helices, (3) several basic and acidic residues at the intracellular surface of the proteins, (4) two conserved tryptophan residues, and (5) two conserved tyrosine residues. On the basis of sequence similarities and characteristic elements, the extended GLUT family can be divided into three subfamilies, namely class I (the previously known glucose transporters GLUT1-4), class II (the previously known fructose transporter GLUT5, the GLUT7, GLUT9 and GLUT11), and class III (GLUT6, 8, 10, 12, and the myo-inositol transporter HMIT1). Functional characteristics have been reported for some of the novel GLUTs. Like GLUT1-4, they exhibit a tissue/cell-specific expression (GLUT6, leukocytes, brain; GLUT8, testis, blastocysts, brain, muscle, adipocytes; GLUT9, liver, kidney; GLUT10, liver, pancreas; GLUT11, heart, skeletal muscle). GLUT6 and GLUT8 appear to be regulated by sub-cellular redistribution, because they are targeted to intra-cellular compartments by dileucine motifs in a dynamin dependent manner. Sugar transport has been reported for GLUT6, 8, and 11; HMIT1 has been shown to be a H+/myo-inositol co-transporter. Thus, the members of the extended GLUT family exhibit a surprisingly diverse substrate specificity, and the definition of sequence elements determining this substrate specificity will require a full functional characterization of all members.

Regulated exocytosis of an H+/myo-inositol symporter at synapses and growth cones.

Phosphoinositides, synthesized from myo-inositol, play a critical role in the development of growth cones and in synaptic activity. As neurons cannot synthesize inositol, they take it up from the extracellular milieu. Here, we demonstrate that, in brain and PC12 cells, the recently identified H(+)/myo-inositol symporter HMIT is present in intracellular vesicles that are distinct from synaptic and dense-core vesicles. We further show that HMIT can be triggered to appear on the cell surface following cell depolarization, activation of protein kinase C or increased intracellular calcium concentrations. HMIT cell surface expression takes place preferentially in regions of nerve growth and at varicosities and leads to increased myo-inositol uptake. The symporter is then endocytosed in a dynamin-dependent manner and becomes available for a subsequent cycle of stimulated exocytosis. HMIT is thus expressed in a vesicular compartment involved in activity-dependent regulation of myo-inositol uptake in neurons. This may be essential for sustained signaling and vesicular traffic activities in growth cones and at synapses.

Deubiquitylation regulates activation and proteolytic cleavage of ENaC

The epithelial sodium channel (ENaC) is critical for sodium and BP homeostasis. ENaC is regulated by Nedd4-2-mediated ubiquitylation, which leads to its internalization; this process can be reversed by deubiquitylation, which is regulated by the aldosterone-induced enzyme Usp2-45. In a second regulatory pathway, ENaC can be activated by luminal serine protease-mediated cleavage of its extracellular loops. Whether these two regulatory processes interact, however, is unknown. Here, in HEK293 cells stably transfected with ENaC, Usp2-45 interacted with ENaC, leading to deubiquitylation of the channel and stimulation of ENaC activity >20-fold. This was accompanied by a modest increase in cell surface expression of ENaC and by proteolytic cleavage of alphaENaC and gammaENaC at their extracellular loops. When endocytosis was inhibited with dominant negative dynamin (DynK44R), channel density and gammaENaC cleavage were increased, but alphaENaC cleavage and ENaC activity were not augmented. When Usp2-45 was coexpressed with DynK44R, both alphaENaC cleavage and activity were recovered. In summary, these data suggest that Usp2-45 deubiquitylation of ENaC enhances the proteolytic activation of both alphaENaC and gammaENaC, possibly by inducing a conformational change and by interfering with endocytosis, respectively

Induction of the alternative NF-κB pathway by lymphotoxin αβ (LTαβ) relies on internalization of LTβ receptor.

Several tumor necrosis factor receptor (TNFR) family members activate both the classical and the alternative NF-κB pathways. However, how a single receptor engages these two distinct pathways is still poorly understood. Using lymphotoxin β receptor (LTβR) as a prototype, we showed that activation of the alternative, but not the classical, NF-κB pathway relied on internalization of the receptor. Further molecular analyses revealed a specific cytosolic region of LTβR essential for its internalization, TRAF3 recruitment, and p100 processing. Interestingly, we found that dynamin-dependent, but clathrin-independent, internalization of LTβR appeared to be required for the activation of the alternative, but not the classical, NF-κB pathway. In vivo, ligand-induced internalization of LTβR in mesenteric lymph node stromal cells correlated with induction of alternative NF-κB target genes. Thus, our data shed light on LTβR cellular trafficking as a process required for specific biological functions of NF-κB.

Discovery of novel arenavirus receptors and entry factors

Arenaviruses are enveloped negative-strand RNA viruses that contain a bi-segmented genome. They are rodent-borne pathogens endemic to the Americas and Africa, with the exception of lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) that is world-wide distributed. The arenaviruses include numerous important human pathogens including the Old World arenavirus Lassa virus (LASV), the causative agent of a severe viral hemorrhagic fever in humans with several hundred thousand infections per year in Africa and thousands of deaths. Viruses are obligatory intracellular parasites, strictly depending on cellular processes and factors to complete their replication cycle. The binding of a virus to target cells is the first step of every viral infection, and is mainly mediated by viral proteins that can directly engage cellular receptors, providing a key determinant for viral tropism. This early step of infection represents a promising target to block the pathogen before it can take control over the host cell. Old World arenaviruses, such as LASV and LCMV, bind to host cells via attachment to their main receptor, dystroglycan (DG), an ubiquitous receptor for extracellular matrix proteins. The engagement of DG by LASV results in a fast internalization and transfer the virus to late endosomal compartment suggesting that the virus binding to DG causes marked changes in the dynamics of the receptor. These events could result in the clustering of the receptor and subsequent induction of signaling that could be modulated by the virus. Recently, numerous findings also suggest the presence of alternative receptor(s) for LASV in absence of the main DG receptor. In my first project, I was interested to investigate the effects of virus-receptor binding on the tyrosine phosphorylation of the cytoplasmic domain of DG and to test if this post-translational modification was crucial for the internalization of the LASV-receptor complex. We found that engagement of cellular DG by a recombinant LCMV expressing the envelope GP of LASV in human epithelial cells induced tyrosine phosphorylation of the cytoplasmic domain of DG. LASV GP binding to DG further resulted in dissociation of the adapter protein utrophin from virus-bound DG. Virus-induced dissociation of utrophin and consequent virus internalization were affected by the broadly specific tyrosine kinase inhibitor genistein. We speculate that the detachment of virus- bound DG from the actin-based cytoskeleton following DG phosphorylation may facilitate subsequent endocytosis of the virus-receptor complex. In the second project, I was interested to characterize the newly indentified LASV alternative receptor Axl in the context of productive arenavirus infection. In a first step, we demonstrated that Axl supports productive infection by rLCMV-LASVGP in a DG-independent manner. In line with previous studies, cell entry of rLCMV-LASVGP via Axl was less efficient when compared to functional DG. Interestingly, Axl-mediated infection showed rapid kinetics similar to DG-dependent entry. Using a panel of inhibitors, we found that Axl-mediated cell entry of rLCMV-LASVGP involved a clathrin-independent pathway that critically depended on actin and dynamin and was sensitive to EIPA but not to PAK inhibitors, compatible with a macropinocytosis-like mechanism of entry. In a next step, we aimed to investigate the molecular mechanism by which rLCMV-LASVGP recognizes Axl. Phosphatidylserine (PS) is the natural ligand of Axl via the adaptor protein Gas6. We detected the presence of PS in the envelope of Old World arenaviruses, suggesting that PS could mediate Axl-virus binding, in a mechanism of apoptotic mimicry already described for other viruses. Whether envelope PS and/or the GP of LASV plays any role in virus entry via Axl is still an open question. The molecular mechanisms underlying host cell-virus interaction are of particular interest to answer basic scientific questions as well as to apply key findings to translational research. Understanding pathogen induced-signaling and its link to invasion of the host cell is of great importance to develop drugs for therapeutic intervention against highly pathogenic viruses like LASV. - Les Arenavirus sont des virus enveloppés à ARN négatifs organisés sous forme de génome bisegmenté. Ils sont véhiculés par les rongeurs et se retrouvent de manière endémique aux Amériques et en Afrique avec l'exception du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) qui lui est distribué mondialement. De nombreux pathogènes humains font parti de la famille des Arenavirus dont le virus de l'Ancien Monde Lassa (LASV), un agent responsable de fièvres hémorragiques sévères chez les humains. Le virus de Lassa cause plusieurs centaines de milliers d'infections par année en Afrique ainsi que des milliers de morts. De manière générale, les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires qui dépendent strictement de processus et facteurs cellulaires pour clore leur cycle de réplication. L'attachement d'un virus à sa cellule cible représente la première étape de chaque infection virale et est principalement dirigée par des protéines virales qui interagissent directement avec leur récepteurs cellulaires respectifs fournissant ainsi un indicateur déterminant pour le tropisme d'un virus. Cette première étape de l'infection représente aussi une cible prometteuse pour bloquer le pathogène avant qu'il ne puisse prendre le contrôle de la cellule. Les Arenavirus de l'Ancien Monde comme LASV et LCMV s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur principal, le dystroglycan (DG), un récepteur ubiquitaire pour les protéines de la matrice extracellulaire. La liaison du DG par LASV résulte en une rapide internalisation transférant le virus aux endosomes tardifs suggérant ainsi que l'attachement du virus au DG peut provoquer des changements marqués dans la dynamique moléculaire du récepteur. Ces événements sont susceptibles d'induire un regroupement du récepteur à la surface cellulaire, ainsi qu'une induction subséquente qui pourrait être, par la suite, modulée par le virus. Récemment, plusieurs découvertes suggèrent aussi la présence d'un récepteur alternatif pour LASV en l'absence du récepteur principal, le DG. Concernant mon premier projet, j'étais intéressée à étudier les effets de la liaison virus- récepteur sur la phosphorylation des acides aminés tyrosines se trouvant dans la partie cytoplasmique du DG, le but étant de tester si cette modification post-translationnelle était cruciale pour Γ internalisation du complexe LASV-DG récepteur. Nous avons découvert que l'engagement du récepteur DG par le virus recombinant LCMV, exprimant la glycoprotéine de LASV, dans des cellules épithéliales humaines induit une phosphorylation de résidu(s) tyrosine se situant dans le domaine cytoplasmique du DG. La liaison de la glycoprotéine de LASV au DG induit par la suite la dissociation de la protéine adaptatrice utrophine du complexe virus-DG récepteur. Nous avons observé que cette dissociation de l'utrophine, induite par le virus, ainsi que son internalisation, sont affectées par l'inhibiteur à large spectre des tyrosines kinases, la génistéine. Nous avons donc supposé que le détachement du virus, lié au récepteur DG, du cytosquelette d'actine suite à la phosphorylation du DG faciliterait l'endocytose subséquente du complexe virus-récepteur. Dans le second projet, j'étais intéressée à caractériser le récepteur alternatif Axl qui a été récemment identifié dans le contexte de l'infection productive des Arenavirus. Dans un premier temps, nous avons démontré que le récepteur alternatif Axl permet l'infection des cellules par le virus LCMV recombinant LASV indépendamment du récepteur DG. Conformément aux études publiées précédemment, nous avons pu observer que l'entrée du virus recombinant LASV via Axl est moins efficace que via le récepteur principal DG. De façon intéressante, nous avons aussi remarqué que l'infection autorisée par Axl manifeste une cinétique virale d'entrée similaire à celle observée avec le récepteur DG. Utilisant un éventail de différents inhibiteurs, nous avons trouvé que l'entrée du virus recombinant rLCMV-LASVGP via Axl implique une voie d'entrée indépendante de la clathrine et dépendant de manière critique de l'actine et de la dynamine. Cette nouvelle voie d'entrée est aussi sensible à l'EIPA contrairement aux inhibiteurs PAK indiquant un mécanisme d'entrée compatible avec un mécanisme de macropinocytose. L'étape suivante du projet a été d'investiguer le mécanisme moléculaire par lequel le virus recombinant rLCMV-LASVGP reconnaît le récepteur alternatif Axl. La phosphatidylsérine (PS) se trouve être un ligand naturel pour Axl via la protéine adaptatrice Gas6. Nous avons détecté la présence de PS dans l'enveloppe des Arenavirus du Vieux Monde suggérant que la PS pourrait médier la liaison du virus à Axl dans un mécanisme de mimétisme apoptotique déjà observé et décrit pour d'autres virus. Cependant, il reste encore à déterminer qui de la PS ou de la glycoprotéine de l'enveloppe virale intervient dans le processus d'entrée de LASV via le récepteur alternatif Axl. Les mécanismes moléculaires à la base de l'interaction entre virus et cellule hôte sont d'intérêts particuliers pour répondre aux questions scientifiques de base ainsi que dans l'application de découvertes clés pour la recherche translationnelle. La compréhension de la signalisation induite par les pathogènes ainsi que son lien à l'invasion de la cellule hôte est d'une importance considérable pour le développement de drogues pour l'intervention thérapeutique contre les virus hautement pathogènes comme LASV.

Old world arenaviruses enter the host cell via the multivesicular body and depend on the endosomal sorting complex required for transport.

The highly pathogenic Old World arenavirus Lassa virus (LASV) and the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) use α-dystroglycan as a cellular receptor and enter the host cell by an unusual endocytotic pathway independent of clathrin, caveolin, dynamin, and actin. Upon internalization, the viruses are delivered to acidified endosomes in a Rab5-independent manner bypassing classical routes of incoming vesicular trafficking. Here we sought to identify cellular factors involved in the unusual and largely unknown entry pathway of LASV and LCMV. Cell entry of LASV and LCMV required microtubular transport to late endosomes, consistent with the low fusion pH of the viral envelope glycoproteins. Productive infection with recombinant LCMV expressing LASV envelope glycoprotein (rLCMV-LASVGP) and LCMV depended on phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) as well as lysobisphosphatidic acid (LBPA), an unusual phospholipid that is involved in the formation of intraluminal vesicles (ILV) of the multivesicular body (MVB) of the late endosome. We provide evidence for a role of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) in LASV and LCMV cell entry, in particular the ESCRT components Hrs, Tsg101, Vps22, and Vps24, as well as the ESCRT-associated ATPase Vps4 involved in fission of ILV. Productive infection with rLCMV-LASVGP and LCMV also critically depended on the ESCRT-associated protein Alix, which is implicated in membrane dynamics of the MVB/late endosomes. Our study identifies crucial cellular factors implicated in Old World arenavirus cell entry and indicates that LASV and LCMV invade the host cell passing via the MVB/late endosome. Our data further suggest that the virus-receptor complexes undergo sorting into ILV of the MVB mediated by the ESCRT, possibly using a pathway that may be linked to the cellular trafficking and degradation of the cellular receptor.

Endocytosis, autophagy and JNK inhibition in neuroprotection against excitotoxicity and neonatal cerebral ischemia

Abstract : Neonatal stroke occurs in 1 out of 4000 live births and usually leads to serious motor and cognitive disabilities. Ischemic brain injury results from a complex of pathophysiological events that evolve over space and time making it difficult to devise successful therapy. To date, there are no effective treatments for perinatal brain damage. Most clinical trials of neuroprotectaot drugs have failed because of their side-effects. For this reason it is important to find ways to target drugs specifically into the stressed cells. In this study we plan to contribute to the development of an efficient neuroprotective strategy against excitotoxic cell death in the neonate. In order to achieve this goal, several strategies were followed. A recently described phenomenon of induced endocytosis associated with excitotoxicity was more deeply investigated. As a simplified model we used dissociated cortical neurons exposed to an excitotoxic dose of NMDA, and we showed that this phenomenon depends on clathrin and dynamin. Using a model of neonatal focal cerebral ischemia, we demonstrated that the excitotoxicity-related endocytosis targets molecules such as TAT peptides into stressed neurons. These appear to be viable, raising the possibility of using this phenomenon as a doorway for neuroprotection. One part of the project was devoted to the study of the TAT-conjugated JNK inhibitory peptide, D-JNKI1. Adose-response study showed strong neuroprotection over a wide dose-range in the case of delayed administration (either intravenous or intraperitoneal). Since D-JNKI1 is aTAT-linked peptide, we investigated the role of its own NMDA-induced endocytosis in its neuroprotective efficacy. Furthermore, we showed that this endocytosis is JNK dependent, and that D-JNKI1 regulates its own uptake. We additionally studied the different types of cell death involved in a model of neonatal focal cerebral ischemia. Necrosis occurred rapidly in the center of the lesion whereas apoptosis and autophagic cell death occurred late at the lesion border. Inhibiting apoptosis was not protective, but use of autophagy inhibitor 3methyladenine provided a strong neuroprotection. Finally, combining two neuroprotectants that target different intracellular pathways was neuroprotective in a severe model of cerebral ischemia where neither of the drugs was efficient when administered individually. Résumé : L'ischémie néonatale connaît une incidence de 1 naissance sur 4000, entraînant généralement de sérieux dysfonctionnements moteurs et cognitifs. L'ischémie cérébrale résulte d'évènements physiopathologiques complexes qui évoluent dans l'espace et le temps rendant difficile la conception de thérapies efficaces. A l'heure actuelle, aucun traitement n'existe pour lutter contre les accidents vasculaires cérébraux qui se produisent autour de la naissance. La plupart des essais cliniques concernant des molécules neuroprotectrices ont échoué du fait de leurs effets secondaires néfastes. Pour cette raison, il est important de trouver des moyens de cibler les drogues dans les cellules stressées spécifiquement. Dans cette étude nous visons à participer au développement d'une stratégie neuroprotectrice efficace contre l'ischémie cérébrale chez le nouveau-né. Dans ce but, plusieurs stratégies ont été poursuivies. Un nouveau phénomène d'endocytose induite par un stimulus excitotoxique a été récemment décrit. Une partie de cette étude va consister à mieux comprendre ce phénomène. Pour céla, nous avons utilisé comme modèle d'étude simplifié des cultures dissociées de neurones corticaux exposées à une dose excitotoxique de NMDA. Nous avons ainsi montré que cette endocytose associée à l'excitotoxicité dépend de la clathrine et de la dynamine. A l'aide d'un modèle d'ischémie cérébrale focale chez le raton de 12 jours, nous avons démontré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité permet de cibler des molécules diverses et en particulier les peptides TAT dans les neurones stressés. Ces neurones fortement endocytiques apparaissent comme étant encore viables, ouvrant la possibilité d'utiliser cette endocytose comme moyen d'entrée pour des molécules thérapeutiques. Une partie du projet a été consacrée à l'étude d'un inhibiteur de la voie JNK, couplé au TAT, appelé D-JNKI1. Des études de dose réponse du D-JNKI1 ont été réalisées chez l'animal, testant les effets d'une administration retardée en injection intraveineuse ou intra péritonéale. Ces études démontrent qu'une large gamme de dose permet d'obCenir une réduction de la taille de la lésion. Comme D-JNK11 est couplé au peptide TAT, nous avons étudié la contribution que sa propre endocytose lors de l'excitotoxicité apporte à ses effets protecteurs. Par ailleurs, nous avons montré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité dépend de la voie de signalisation JNK et que D-JNK11 est donc capable de réguler sa propre entrée. Nous avons en parallèle étudié les différents types de mort cellulaires impliqués dans le développement de la lésion dans un modèle sévère d'ischémie cérébrale chez le raton nouveau-né. La mort cellulaire par nécrose se développe rapidement dans le centre de la lésion alors que les morts cellulaires par apoptose et autophagique vont apparaître plus tard et au bord de la lésion. Inhiber l'apoptose n'a pas permis de réduire la taille de la lésion alors que l'utilisation d'un inhibiteur d'autophagie, la 3-méthyladénine, procure une forte neuroprotection. Finalement, la combinaison de deux peptides qui ciblent différentes voies de signalisation intracellulaire permet d'obtenir une bonne protection dans le modèle d'ischémie sévère dans lequel aucun des deux peptides administré séparément n'a donné d'effets bénéfiques.

Mutual control of membrane fission and fusion proteins.

Membrane fusion and fission are antagonistic reactions controlled by different proteins. Dynamins promote membrane fission by GTP-driven changes of conformation and polymerization state, while SNAREs fuse membranes by forming complexes between t- and v-SNAREs from apposed vesicles. Here, we describe a role of the dynamin-like GTPase Vps1p in fusion of yeast vacuoles. Vps1p forms polymers that couple several t-SNAREs together. At the onset of fusion, the SNARE-activating ATPase Sec18p/NSF and the t-SNARE depolymerize Vps1p and release it from the membrane. This activity is independent of the SNARE coactivator Sec17p/alpha-SNAP and of the v-SNARE. Vps1p release liberates the t-SNAREs for initiating fusion and at the same time disrupts fission activity. We propose that reciprocal control between fusion and fission components exists, which may prevent futile cycles of fission and fusion.

Receptor binding and cell entry of Old World arenaviruses reveal novel aspects of virus-host interaction.

Ten years ago, the first cellular receptor for the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) and the highly pathogenic Lassa virus (LASV) was identified as alpha-dystroglycan (alpha-DG), a versatile receptor for proteins of the extracellular matrix (ECM). Biochemical analysis of the interaction of alpha-DG with arenaviruses and ECM proteins revealed a strikingly similar mechanism of receptor recognition that critically depends on specific sugar modification on alpha-DG involving a novel class of putative glycosyltransferase, the LARGE proteins. Interestingly, recent genome-wide detection and characterization of positive selection in human populations revealed evidence for positive selection of a locus within the LARGE gene in populations from Western Africa, where LASV is endemic. While most enveloped viruses that enter the host cell in a pH-dependent manner use clathrin-mediated endocytosis, recent studies revealed that the Old World arenaviruses LCMV and LASV enter the host cell predominantly via a novel and unusual endocytotic pathway independent of clathrin, caveolin, dynamin, and actin. Upon internalization, the virus is rapidly delivered to endosomes via an unusual route of vesicular trafficking that is largely independent of the small GTPases Rab5 and Rab7. Since infection of cells with LCMV and LASV depends on DG, this unusual endocytotic pathway could be related to normal cellular trafficking of the DG complex. Alternatively, engagement of arenavirus particles may target DG for an endocytotic pathway not normally used in uninfected cells thereby inducing an entry route specifically tailored to the pathogen's needs.

Role of the V-ATPase in regulation of the vacuolar fission-fusion equilibrium.

Like numerous other eukaryotic organelles, the vacuole of the yeast Saccharomyces cerevisiae undergoes coordinated cycles of membrane fission and fusion in the course of the cell cycle and in adaptation to environmental conditions. Organelle fission and fusion processes must be balanced to ensure organelle integrity. Coordination of vacuole fission and fusion depends on the interactions of vacuolar SNARE proteins and the dynamin-like GTPase Vps1p. Here, we identify a novel factor that impinges on the fusion-fission equilibrium: the vacuolar H(+)-ATPase (V-ATPase) performs two distinct roles in vacuole fission and fusion. Fusion requires the physical presence of the membrane sector of the vacuolar H(+)-ATPase sector, but not its pump activity. Vacuole fission, in contrast, depends on proton translocation by the V-ATPase. Eliminating proton pumping by the V-ATPase either pharmacologically or by conditional or constitutive V-ATPase mutations blocked salt-induced vacuole fragmentation in vivo. In living cells, fission defects are epistatic to fusion defects. Therefore, mutants lacking the V-ATPase display large single vacuoles instead of multiple smaller vacuoles, the phenotype that is generally seen in mutants having defects only in vacuolar fusion. Its dual involvement in vacuole fission and fusion suggests the V-ATPase as a potential regulator of vacuolar morphology and membrane dynamics.