Etudes structurales et fonctionnelles des interactions de SUMO avec des proteines d'echafaudage modeles: TIF1beta, PIAS1 et PML

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2.

Caractérisation des transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV et étude comparative des fonctions des protéines traduites à partir de ces transcrits antisens

Le premier membre de la famille des rétrovirus humains HTLV (Virus T-lymphotropique Humain), HTLV-1, a été découvert en 1980 et l’on estime aujourd’hui à plus de 10 millions le nombre d’individus infectés à travers le monde. Après une période de latence d’environ 40 ans, 5% des individus infectés développent des leucémies, des lymphomes adultes de lymphocytes T (ATLL) ou encore une myélopathie associée à HTLV-1/ paraparésie spastique tropicale (HAM/TSP). L’apparition de la maladie serait en grande partie orchestrée par deux protéines virales, soit Tax et HTLV-1 bZIP factor (HBZ). L’expression du génome viral se fait à partir d’un transcrit sens de pleine longueur suite à un épissage alternatif, à l’exception du gène HBZ. HBZ est produite à partir d’un transcrit antisens initié dans la séquence terminale longue répétée (LTR)’3. Elle a été décrite comme étant capable de réguler négativement la transcription virale dépendante de Tax en se dimérisant avec des facteurs de transcription cellulaires tels que CREB-2 et certains membres de la famille Jun. HBZ a aussi un pouvoir prolifératif et bien que nous ne sachions toujours pas le mécanisme moléculaire menant à l’oncogenèse par HBZ, nous savons qu’elle module une multitude de voies de transduction de signaux, dont AP-1. Nous avons récemment mis en évidence un transcrit antisens nommé Antisense Protein of HTLV-2 (APH-2) chez HTLV-2 qui n’est associé qu’à une myélopathie apparentée au HAM/TSP. Ce n’est qu’en 2005 que HTLV-3 et HTLV-4 se sont rajoutés au groupe HTLV. Cependant, aucune corrélation avec le développement d’une quelconque maladie n’a été montrée jusqu’à ce jour. Le premier volet de ce projet de doctorat avait pour objectif de détecter et caractériser les transcrits antisens produits par HTLV-3 et HTLV-4 et d’étudier les protéines traduites à partir de ces transcrits pour ainsi évaluer leurs similitudes et/ou différences avec HBZ et APH-2. Nos études de localisation cellulaire réalisées par microscopie confocale ont montré que APH-3 et APH-4 sont des protéines nucléaires, se retrouvant sous la forme de granules et, dans le cas d’APH-3, partiellement cytoplasmique. Ces granules co-localisent en partie avec HBZ. Les analyses à l’aide d’un gène rapporteur luciférase contenant le LTR 5’ de HTLV-1 ont montré que APH-3 et APH-4 peuvent aussi inhiber la transactivation du LTR 5’ par Tax. Aussi, des études faisant appel au gène rapporteur précédé d’un promoteur de collagénase (site AP-1), ont montré que ces deux protéines, contrairement à HBZ, activent la transcription dépendante de tous les membres des facteurs de transcription de la famille Jun. De plus, les mutants ont montré que le motif fermeture éclair (LZ) atypique de ces protéines est impliqué dans cette régulation. En effet, APH-3 et APH-4 modulent la voie Jun-dépendante en se dimérisant via leur LZ atypique avec la famille Jun et semblent activer la voie par un mécanisme ne faisant pas par d’un domaine activateur autonome. Dans un deuxième volet, nous avions comme objectif d’approfondir nos connaissances sur la localisation nucléolaire de HBZ. Lors de nos analyses, nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction, B23 et la nucléoline, qui semblent être associés à sa localisation nucléolaire. En effet, ces interactions sont plus fortes suivant une délétion des domaines AD et bZIP de HBZ qui dans ce cas est localisée strictement au nucléole. De plus, bien que APH-3 et APH-4 puissent se localiser aux nucléoles, HBZ est la seule protéine traduite à partir d’un transcrit antisens pouvant interagir avec B23. Finalement, ces travaux ont clairement mis en évidence que HTLV-3 et HTLV-4 permettent la production de transcrits antisens comme chez d’autres rétrovirus. Les protéines traduites à partir de ces transcrits antisens jouent d’importants rôles dans la réplication rétrovirale mais semblent avoir des fonctions différentes de celles de HBZ au niveau de la régulation de la transcription de la voie Jun. HBZ semble aussi jouer un rôle unique dans le nucléole en ciblant les protéines nucléolaires de la cellule. Ces études démontrent que les protéines produites à partir de transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV partagent plusieurs ressemblances, mais démontrent aussi des différences. Ainsi, les APH pourraient, en tant qu’outil comparatif, aider à mieux cibler les mécanismes moléculaires importants utilisés par HBZ pour induire la pathogénèse associée à une infection par HTLV.

Études fonctionnelles de deux nouvelles protéines centrosomales, NPHP5 et Cep76, et leurs implications dans les maladies humaines

Les centrosomes sont de petits organites qui régulent divers processus cellulaires comme la polarité ou la mitose dans les cellules de mammifères. Ils sont composés de deux centrioles entourés par une matrice péricentriolaire. Ces centrosomes sont les principaux centres organisateurs de microtubules. De plus, ils favorisent la formation de cils, des protubérances sur la surface des cellules quiescentes qui sont critiques pour la transduction du signal. Une grande variété de maladies humaines telles que les cancers ou les ciliopathies sont liées à un mauvais fonctionnement des centrosomes et des cils. C’est pourquoi le but de mes projets de recherche est de comprendre les mécanismes nécessaires à la biogénèse et au fonctionnement des centrosomes et des cils. Tout d'abord, j’ai caractérisé une nouvelle protéine centrosomale nommée nephrocystine - 5 (NPHP5). Cette protéine est localisée dans les cellules en interphase au niveau de la région distale des centrioles. Sa déplétion inhibe la migration des centrosomes à la surface cellulaire lors de l’étape précoce de la formation des cils. NPHP5 interagit avec la protéine CEP290 via sa région C-terminale qui est essentielle pour la ciliogenèse. Elle interagit également avec la calmoduline ce qui empêche son auto-agrégation. J’ai démontré que les domaines de liaison de NHPH5 à CEP290 et à la calmoduline, ainsi que son domaine de localisation centrosomale sont séparables. De plus, j’ai démontré que les protéines NPHP5 présentant des mutations pathogènes ne peuvent plus interagir avec CEP290 et ne sont plus localisées aux centrosomes, rendant ainsi ces protéines non fonctionnelles. Enfin, en utilisant une approche pharmacologique pour moduler les événements en aval dans la voie ciliogénique, j’ai montré que la formation des cils peut être restaurée même en absence de NPHP5. D’autre part, j’ai étudié le rôle de NPHP5 dans l'assemblage et le trafic du complexe BBSome dans le cil. Le BBSome est composé de huit sous-unités différentes qui s’assemblent en un complexe fonctionnel dont on sait peu de chose sur la régulation spatiotemporelle de son processus d'assemblage. J’ai précédemment montré que NPHP5 favorisait la formation des cils et que son dysfonctionnement contribuait au développement de néphronophtise (NPHP). Bien que la NPHP et le syndrome de Bardet-Biedl (BBS) soient des ciliopathies qui partagent des caractéristiques cliniques communes, la base moléculaire de ces ressemblances phénotypiques n’est pas comprise. J’ai constaté que NPHP5, localisé à la base du cil, contient deux sites de liaison distincts pour le BBSome. De plus, j’ai démontré que NPHP5 et son partenaire CEP290 interagissent de façon dynamique avec le BBSome pendant la transition de la prolifération à la quiescence. La déplétion de NPHP5 ou CEP290 conduit à la dissociation d’au moins deux sous-unités du BBSome formant alors un sous-complexe dont la capacité de migration dans le cil n’est pas compromise. J’ai montré que le transport des cargos vers le compartiment ciliaire par ce sous-complexe n’est que partiellement altéré. Enfin, j’ai également concentré mes recherches sur une autre protéine centrosomale peu caractérisée. La protéine centrosomale de 76 kDa (Cep76) a été précédemment impliquée dans le maintien d’une duplication unique des centrioles par cycle cellulaire, et dans une interaction avec la kinase cycline-dépendante 2 (CDK2). Cep76 est préférentiellement phosphorylée par le complexe cycline A/CDK2 sur le site unique S83. Cet événement est essentiel pour supprimer l'amplification des centrioles en phase S. J’ai démontré que Cep76 inhibe cette amplification en bloquant la phosphorylation de Plk1 au niveau des centrosomes. D’autre part, Cep76 peut être acétylée au site K279 en phase G2, ce qui régule négativement son activité et sa phosphorylation sur le site S83. Ces études permettent d'améliorer notre compréhension de la biologie des centrosomes et des cils et pourraient conduire au développement de nouvelles applications diagnostiques et thérapeutiques.