A molecular profile of T-cell exhaustion in cancer.

The first gene profiling study of cancer-specific CD8+ T-cells demonstrates that lymphocyte dysfunction in cancer tissue is due to multiple molecular alterations,(1) similar as in "exhausted" T-cells in chronic infection.(2) The data suggest novel drug targets, and show that T-cell exhaustion is reversible and limited to anatomical sites of disease.

The Human Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a: Evidence for a Homotetrameric Assembly State at the Cell Surface.

The chicken acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. We address here the oligomeric state of the functional ASIC1 in situ at the cell surface. The oligomeric states of functional ASIC1a and mutants with additional cysteines introduced in the extracellular pore vestibule were resolved on SDS-PAGE. The functional ASIC1 complexes were stabilized at the cell surface of Xenopus laevis oocytes or CHO cells either using the sulfhydryl crosslinker BMOE, or sodium tetrathionate (NaTT). Under these different crosslinking conditions ASIC1a migrates as four distinct oligomeric states that correspond by mass to multiples of a single ASIC1a subunit. The relative importance of each of the four ASIC1a oligomers was critically dependent on the availability of cysteines in the transmembrane domain for crosslinking, consistent with the presence of ASIC1a homo-oligomers. The expression of ASIC1a monomers, trimeric or tetrameric concatemeric cDNA constructs resulted in functional channels. The resulting ASIC1a complexes are resolved as a predominant tetramer over the other oligomeric forms, after stabilization with BMOE or NaTT and SDS-PAGE/western blot analysis. Our data identify a major ASIC1a homotetramer at the surface membrane of the cell expressing functional ASIC1a channel.

Further molecular profiling of tumors harboring therapeutic targets within non-small cell lung cancer

Background: Treatment of NSCLC has been revolutionized in recent years with the introduction of several targeted therapies for selected genetically altered subtypes of NSCLC. A better understanding of molecular characteristics of NSCLC, which features common drug targets, may identify new therapeutic options. Methods: Over 6,700 non-small cell lung cancer cases referred to Caris Life Sciences between 2009 and 2014. Diagnoses and history were collected from referring physicians. Specific testing was performed per physician request and included a combination of sequencing (Sanger, NGS or pyrosequencing), protein expression (IHC), gene amplification/rearrangement (CISH or FISH), and/or RNA fragment analysis. Results: Tumors profiles from patients with hormone receptor positive disease (HER2, ER, PR, or AR positive by IHC) (n=629), HER2 mutations (n=8) ALK rearrangements (n=55), ROS1 rearrangement (n=17), cMET amplification or mutation (n=126), and cKIT mutation (n=11) were included in this analysis and compared to the whole cohort. Tumors with ALK rearrangement overexpressed AR in 18% of cases, and 7% presented with concomitant KRAS mutation. Lower rates of PTEN loss, as assessed by IHC, were observed in ALK positive (20%), ROS1 positive (9%) and cKIT mutated tumors (25%) compared to the overall NSCLC population (58%). cMET was overexpressed in 66% of ROS1 translocated and 57% of HER2 mutated tumors. cKIT mutations were found co-existing with APC (20%) and EGFR (20%) mutations. Pathway analysis revealed that hormone receptor positive disease carried more mutations in the ERK pathway (32%) compared to 9% in the mTOR pathway. 25% of patients with HER2 mutations harbored a co-existing mutation in the mTOR pathway. Conclusions: Pathway profiling reveals that NSCLC tumors present more often than reported with several concomitant alterations affecting the ERK or AKT pathway. Additionally, they are also characterized by the expression of potential biological modifiers of the cell cycle like hormonal receptors, representing a rationale for dual inhibition strategies in selected patients. Further refining of the understanding of NSCLC biomarker profile will optimize research for new treatment strategies.

Molecular profiling of non-small cell lung cancer by histologic subtype

Background: A substantial proportion of NSCLC has been shown to harbour specific molecular alterations affecting tumour proliferation and resulting in sensitivity to inhibition of the corresponding activated oncogenic pathway by targeted therapies. Comprehensive tumor profiling can diagnose such alterations and may identify new alterations opening additional treatment options for all distinct NSCLC subtypes. Methods: Over 6,700 non-small cell lung cancer cases referred to Caris Life Sciences between 2009 and 2014 were evaluated; clinical diagnoses and detailed tumor pathology were collected from referring physicians. Specific profiling was performed per physician request and included a combination of sequencing (Sanger, NGS or pyrosequencing), protein expression (IHC), gene amplification/rearrangement (CISH or FISH), and/or RNA fragment analysis within potential cancer-related genes and pathways. Results: Patients were grouped into cohorts according to histological subtype - adenocarcinoma (AD) (n=4,286), squamous cell carcinoma (SCC) (n=1,280), large cell carcinoma (LCC) (n=153) and bronchioalveolar carcinoma (BAC) (n=94). Protein overexpression of cMET (>2+ in >50% cells) was higher in AD (35.9%) compared to other subgroups (12-20%) while RRM1 and TOP2A levels were lower in AD. ALK or ROS1 were rearranged in 5.3% of patients with AD compared to 3.7% of patients with LCC and 1.2% of patients with SCC. EGFR mutations were found at low prevalence in both the LCC (0%) and SCC cohorts (2.8%) compared to 21% in AD. Similar lower rates of BRAF mutations were observed in the LCC and SCC cohorts compared to AD (0%, 1.1% and 5.1%). Pathway analysis showed activating mutations in the ERK pathway in 40% of patients with AD. Only 10-12% of patients with LCC or SCC had activating mutations in the ERK pathway. Conclusions: Despite the limitations of this retrospective series, we report comprehensive profiling of the largest cohort of NSCLC. Tumor profiling reveals that ADs may be more addicted to the ERK pathway than other histological subtypes. Drugs which target cMET may also have most utility in AD. Full analysis by histological subtype and additional correlative data on protein expression, gene copy number and mutations will be presented.

Distinct roles of NMDA receptors at different stages of granule cell development in the adult brain.

NMDA receptor (NMDAR)-dependent forms of synaptic plasticity are thought to underlie the assembly of developing neuronal circuits and to play a crucial role in learning and memory. It remains unclear how NMDAR might contribute to the wiring of adult-born granule cells (GCs). Here we demonstrate that nascent GCs lacking NMDARs but rescued from apoptosis by overexpressing the pro-survival protein Bcl2 were deficient in spine formation. Insufficient spinogenesis might be a general cause of cell death restricted within the NMDAR-dependent critical time window for GC survival. NMDAR loss also led to enhanced mushroom spine formation and synaptic AMPAR activity throughout the development of newborn GCs. Moreover, similar elevated synapse maturation in the absence of NMDARs was observed in neonate-generated GCs and CA1 pyramidal neurons. Together, these data suggest that NMDAR operates as a molecular monitor for controlling the activity-dependent establishment and maturation rate of synaptic connections between newborn neurons and others.

Impact of T cell receptor affinity on the molecular mechanisms modulating CD8 T cell signalling and function against NY-ESO-1 tumour antigen

It is well established that cytotoxic T lymphocytes play a pivotal role in the protection against intracellular pathogens and tumour cells. Such protective immune responses rely on the specific T cell receptor (TCR)-mediated recognition by CD8 T cells of small antigenic peptides presented in the context of class-I Major Histocompatibility Complex molecules (pMHCs) on the surface of infected or malignant cells. The strength (affinity/avidity) of this interaction is a major correlate of protection. Although tumour-reactive CD8 T cells can be observed in cancer patients, anti-tumour immune responses are often ineffective in controlling or eradicating the disease due to the relative low TCR affinity of these cells. To overcome this limitation, tumour-specific CD8 T cells can be genetically modified to express TCRs of improved binding strength against a defined tumour antigen before adoptive cell transfer into cancer patients. We previously generated a panel of TCRs specific for the cancer-testis antigen NY-ESO-l,57.165 with progressively increased affinities for the pMHC complex, thus providing us with a unique tool to investigate the causal link between the surface expression of such TCRs and T cell activation and function. We recently demonstrated that anti-tumour CD8 T cell reactivity could only be improved within physiological affinity limits, beyond which drastic functional declines were observed, suggesting the presence of multiple regulatory mechanisms limiting T cell activation and function in a TCR affinity-dependent manner. The overarching goal of this thesis was (i) to assess the precise impact of TCR affinity on T cell activation and signalling at the molecular level and (ii) to gain further insights on the mechanisms that regulate and delimitate maximal/optimized CD8 T cell activation and signalling. Specifically, by combining several technical approaches we characterized the activation status of proximal (i.e. CD3Ç, Lek, and ZAP-70) and distal (i.e. ERK1/2) signalling molecules along the TCR affinity gradient. Moreover, we assessed the extent of TCR downmodulation, a critical step for initial T cell activation. CD8 T cells engineered with the optimal TCR affinity variants showed increased activation levels of both proximal and distal signalling molecules when compared to the wild-type T cells. Our analyses also highlighted the "paradoxical" status of tumour-reactive CD8 T cells bearing very high TCR affinities, which retained strong proximal signalling capacity and TCR downmodulation, but were unable to propagate signalling distally (i.e. pERKl/2), resulting in impaired cell-mediated functions. Importantly, these very high affinity T cells displayed maximal levels of SHP-1 and SHP-2 phosphatases, two negative regulatory molecules, and this correlated with a partial pERKl/2 signalling recovery upon pharmacological SHP-l/SHP-2 inhibition. These findings revealed the putative presence of inhibitory regulators of the TCR signalling cascade acting very rapidly following tumour-specific stimulation. Moreover, the very high affinity T cells were only able to transiently express enhanced proximal signalling molecules, suggesting the presence of an additional level of regulation that operates through the activation of negative feedback loops over time, limiting the duration of the TCR-mediated signalling. Overall, the determination of TCR-pMHC binding parameters eliciting optimal CD8 T cell activation, signalling, and effector function while guaranteeing high antigen specificity, together with the identification of critical regulatory mechanisms acting proximally in the TCR signalling cascade, will directly contribute to optimize and support the development of future TCR-based adoptive T cell strategies for the treatment of malignant diseases. -- Les lymphocytes T CD8 cytotoxiques jouent un rôle prédominant dans la protection contre les pathogènes intracellulaires et les cellules tumorales. Ces réponses immunitaires dépendent de la spécificité avec laquelle les récepteurs T (TCR) des lymphocytes CD8 reconnaissent les peptides antigéniques présentés par les molécules du complexe Majeur de Histocompatibilité de classe I (pCMH) à la surface des cellules infectées ou malignes. La force (ou affinité/avidité) de l'interaction du TCR-pCMH est un corrélat majeur de protection. Les réponses immunitaires sont cependant souvent inefficaces et ne permettent pas de contrôler ou d'éliminer les cellules tumorales chez les patients atteint du cancer, et ce à cause de la relative faible reconnaissance des TCRs exprimés par les lymphocytes T CD8 envers les antigènes tumoraux. Afin de surmonter cette limitation, les cellules T anti-tumorales peuvent être génétiquement modifiées en les dotant de TCRs préalablement optimisés afin d'augmenter leur reconnaissance ou affinité contre les antigènes tumoraux, avant leur ré¬infusion dans le patient. Nous avons récemment généré des cellules T CD8 exprimant un panel de TCRs spécifiques pour l'antigène tumoral NY-ESO-l157.16J avec des affinités croissantes, permettant ainsi d'investiguer la causalité directe entre l'affinité du TCR-pCMH et la fonction des cellules T CD8. Nous avons démontré que la réactivité anti-tumorale pouvait être améliorée en augmentant l'affinité du TCR dans une intervalle physiologique, mais au delà duquel nous observons un important déclin fonctionnel. Ces résultats suggèrent la présence de mécanismes de régulation limitant l'activation des cellules T de manière dépendante de l'affinité du TCR. Le but de cette thèse a été (i) de définir l'impact précis de l'affinité du TCR sur l'activation et la signalisation des cellules T CD8 au niveau moléculaire et (ii) d'acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes qui régulent et délimitent l'activation et la signalisation maximale des cellules T CD8 optimisées. Spécifiquement, en combinant plusieurs approches technologiques, nous avons caractérisé l'état d'activation de différentes protéines de la voie de signalisation proximale (CD3Ç, Lek et ZAP-70) et distale (ERK1/2) le long du gradient d'affinité du TCR, ainsi que l'internalisation du TCR, une étape clef dans l'activation initiale des cellules T. Les lymphocytes T CD8 exprimant des TCRs d'affinité optimale ont montré des niveaux d'activation augmentés des molécules proximales et distales par rapport aux cellules de type sauvage (wild-type). Nos analyses ont également mis en évidence un paradoxe chez les cellules T CD8 équipées avec des TCRs de très haute affinité. En effet, ces cellules anti-tumorales sont capables d'activer leurs circuits biochimiques au niveau proximal et d'internaliser efficacement leur TCR, mais ne parviennent pas à propager les signaux biochimiques dépendants du TCR jusqu'au niveau distal (via phospho-ERKl/2), avec pour conséquence une limitation de leur capacité fonctionnelle. Finalement, nous avons démontré que SHP-1 et SHP-2, deux phosphatases avec des propriétés régulatrices négatives, étaient majoritairement exprimées dans les cellules T CD8 de très hautes affinités. Une récupération partielle des niveaux d'activation de ERK1/2 a pu être observée après l'inhibition pharmacologique de ces phosphatases. Ces découvertes révèlent la présence de régulateurs moléculaires qui inhibent le complexe de signalisation du TCR très rapidement après la stimulation anti-tumorale. De plus, les cellules T de très hautes affinités ne sont capables d'activer les molécules de la cascade de signalisation proximale que de manière transitoire, suggérant ainsi un second niveau de régulation via l'activation de mécanismes de rétroaction prenant place progressivement au cours du temps et limitant la durée de la signalisation dépendante du TCR. En résumé, la détermination des paramètres impliqués dans l'interaction du TCR-pCMH permettant l'activation de voies de signalisation et des fonctions effectrices optimales ainsi que l'identification des mécanismes de régulation au niveau proximal de la cascade de signalisation du TCR contribuent directement à l'optimisation et au développement de stratégies anti-tumorales basées sur l'ingénierie des TCRs pour le traitement des maladies malignes.

Molecular determinants of HPV- induced oropharyngeal squamous cell carcinoma

Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) arises in the oral cavity,oropharynx,larynx and hypopharynx.Recent works highlighted a subset of HNSCC related to Human Papilloma Virus (HPV) with complete differet molecular progression and associated with a better prognosis than HPV-negative HNSCC. The aim of this work is to culture HPV-positive tumor cells and transfect them with shRNA-expressing plasmids, to prepare RNA from the control and shRNA-treated cells and to measure gene expression....

Molecular markers for progression of squamous cell carcinoma of the skin

Incidence of nonmelanoma skin cancer (NMSC) is increasing. Ultraviolet (UV) –light is a major risk factor for the development of cutaneous SCC. Cutaneous SCCs that develop to chronic ulcers are known to progress and metastasize more easily than UV-induced SCCs. Matrix metalloproteinases (MMPs) are a group of proteolytic enzymes which are suggested to have a role in cancer growth and invasion. The molecular background for progression of cutaneous SCC was examined by immunohistochemistry (IHC) using tissue samples of recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB) –associated SCC, sporadic UV-induced SCC, and SCC precursors. IHC studies using tissue microarray (TMA) technique revealed overexpression of MMP-7 and MMP-13 in SCC tumor cells. MMP-7 expression was enhanced especially in the SCC tumor cells of the RDEB –associated SCCs. Studies with SCC cell lines showed that tumor cell derived MMP-7 activated heparin binding epidermal growth factor –like growth factor (HB-EGF) which enhanced the growth of SCC tumor cells. Further, it was shown that type VII collagen (COL7) is expressed in sporadic SCC tumor cells. Interestingly, it was shown that SCC –associated MMP-13 is capable of cleaving COL7 in vitro. COL7 cleavage may have a role in the progression of cutaneous SCC. Studies on serine proteinase inhibitor gene family using SCC tumor cell gene array, quantitative real-time PCR, SCC cell lines, normal human epidermal keratinocytes and IHC of TMA samples showed that serine proteinase inhibitor clade A, member 1 (serpinA1, alpha-1-antitrypsin) is expressed and produced by human SCC tumor cells but not by normal keratinocytes. Moreover, serpinA1 expression was shown to correlate with the progression of cutaneous SCC using transformed HaCaT-cell lines and mouse chemically induced skin SCC model. SerpinA1 may serve as a novel biomarker for the progression of cutaneous SCC. This study elucidated putative mechanisms of the progression of cutaneous SCC and revealed novel biomarker candidates for the progression of SCC of the skin.

The spindle assembly checkpoint as a drug target - Novel small-molecule inhibitors of Aurora kinases

Cell division (mitosis) is a fundamental process in the life cycle of a cell. Equal distribution of chromosomes between the daughter cells is essential for the viability and well-being of an organism: loss of fidelity of cell division is a contributing factor in human cancer and also gives rise to miscarriages and genetic birth defects. For maintaining the proper chromosome number, a cell must carefully monitor cell division in order to detect and correct mistakes before they are translated into chromosomal imbalance. For this purpose an evolutionarily conserved mechanism termed the spindle assembly checkpoint (SAC) has evolved. The SAC comprises a complex network of proteins that relay and amplify mitosis-regulating signals created by assemblages called kinetochores (KTs). Importantly, minor defects in SAC signaling can cause loss or gain of individual chromosomes (aneuploidy) which promotes tumorigenesis while complete failure of SAC results in cell death. The latter event has raised interest in discovery of low molecular weight (LMW) compounds targeting the SAC that could be developed into new anti-cancer therapeutics. In this study, we performed a cell-based, phenotypic high-throughput screen (HTS) to identify novel LMW compounds that inhibit SAC function and result in loss of cancer cell viability. Altogether, we screened 65 000 compounds and identified eight that forced the cells prematurely out of mitosis. The flavonoids fisetin and eupatorin, as well as the synthetic compounds termed SACi2 and SACi4, were characterized in more detail utilizing versatile cell-based and biochemical assays. To identify the molecular targets of these SAC-suppressing compounds, we investigated the conditions in which SAC activity became abrogated. Eupatorin, SACi2 and SACi4 preferentially abolished the tensionsensitive arm of the SAC, whereas fisetin lowered also the SAC activity evoked by lack of attachments between microtubules (MTs) and KTs. Consistent with the abrogation of SAC in response to low tension, our data indicate that all four compounds inhibited the activity of Aurora B kinase. This essential mitotic protein is required for correction of erratic MT-KT attachments, normal SAC signaling and execution of cytokinesis. Furthermore, eupatorin, SACi2 and SACi4 also inhibited Aurora A kinase that controls the centrosome maturation and separation and formation of the mitotic spindle apparatus. In line with the established profound mitotic roles of Aurora kinases, these small compounds perturbed SAC function, caused spindle abnormalities, such as multi- and monopolarity and fragmentation of centrosomes, and resulted in polyploidy due to defects in cytokinesis. Moreover, the compounds dramatically reduced viability of cancer cells. Taken together, using a cell-based HTS we were able to identify new LMW compounds targeting the SAC. We demonstrated for the first time a novel function for flavonoids as cellular inhibitors of Aurora kinases. Collectively, our data support the concept that loss of mitotic fidelity due to a non-functional SAC can reduce the viability of cancer cells, a phenomenon that may possess therapeutic value and fuel development of new anti-cancer drugs.

Molecular mimicry between cardiac myosin and Trypanosoma cruzi antigen B13: identification of a B13-driven human T cell clone that recognizes cardiac myosin

Previous reports from our group have demonstrated the association of molecular mimicry between cardiac myosin and the immunodominant Trypanosoma cruzi protein B13 with chronic Chagas' disease cardiomyopathy at both the antibody and heart-infiltrating T cell level. At the peripheral blood level, we observed no difference in primary proliferative responses to T. cruzi B13 protein between chronic Chagas' cardiopathy patients, asymptomatic chagasics and normal individuals. In the present study, we investigated whether T cells sensitized by T. cruzi B13 protein respond to cardiac myosin. T cell clones generated from a B13-stimulated T cell line obtained from peripheral blood of a B13-responsive normal donor were tested for proliferation against B13 protein and human cardiac myosin. The results showed that one clone responded to B13 protein alone and the clone FA46, displaying the highest stimulation index to B13 protein (SI = 25.7), also recognized cardiac myosin. These data show that B13 and cardiac myosin share epitopes at the T cell level and that sensitization of a T cell with B13 protein results in response to cardiac myosin. It can be hypothesized that this also occurs in vivo during T. cruzi infection which results in heart tissue damage in chronic Chagas' disease cardiomyopathy

Cellular and molecular studies of the effects of a selective COX-2 inhibitor celecoxib in the cardiac cell line H9c2 and their correlation with death mechanisms

Cardiovascular disease is one of the leading causes of death worldwide, and evidence indicates a correlation between the inflammatory process and cardiac dysfunction. Selective inhibitors of cyclooxygenase-2 (COX-2) enzyme are not recommended for long-term use because of potentially severe side effects to the heart. Considering this and the frequent prescribing of commercial celecoxib, the present study analyzed cellular and molecular effects of 1 and 10 µM celecoxib in a cell culture model. After a 24-h incubation, celecoxib reduced cell viability in a dose-dependent manner as also demonstrated in MTT assays. Furthermore, reverse transcription-polymerase chain reaction analysis showed that the drug modulated the expression level of genes related to death pathways, and Western blot analyses demonstrated a modulatory effect of the drug on COX-2 protein levels in cardiac cells. In addition, the results demonstrated a downregulation of prostaglandin E2 production by the cardiac cells incubated with celecoxib, in a dose-specific manner. These results are consistent with the decrease in cell viability and the presence of necrotic processes shown by Fourier transform infrared analysis, suggesting a direct correlation of prostanoids in cellular homeostasis and survival.

Molecular mechanisms for a switch-like mating decision in Saccharomyces cerevisiae

Les changements évolutifs nous instruisent sur les nombreuses innovations permettant à chaque organisme de maximiser ses aptitudes en choisissant le partenaire approprié, telles que les caractéristiques sexuelles secondaires, les patrons comportementaux, les attractifs chimiques et les mécanismes sensoriels y répondant. L'haploïde de la levure Saccharomyces cerevisiae distingue son partenaire en interprétant le gradient de la concentration d'une phéromone sécrétée par les partenaires potentiels grâce à un réseau de protéines signalétiques de type kinase activées par la mitose (MAPK). La décision de la liaison sexuelle chez la levure est un événement en "tout–ourien", à la manière d'un interrupteur. Les cellules haploïdes choisissent leur partenaire sexuel en fonction de la concentration de phéromones qu’il produit. Seul le partenaire à proximité sécrétant des concentrations de phéromones égales ou supérieures à une concentration critique est retenu. Les faibles signaux de phéromones sont attribués à des partenaires pouvant mener à des accouplements infructueux. Notre compréhension du mécanisme moléculaire contrôlant cet interrupteur de la décision d'accouplement reste encore mince. Dans le cadre de la présente thèse, je démontre que le mécanisme de décision de la liaison sexuelle provient de la compétition pour le contrôle de l'état de phosphorylation de quatre sites sur la protéine d'échafaudage Ste5, entre la MAPK, Fus3, et la phosphatase,Ptc1. Cette compétition résulte en la dissociation de type « intérupteur » entre Fus3 et Ste5, nécessaire à la prise de décision d'accouplement en "tout-ou-rien". Ainsi, la décision de la liaison sexuelle s'effectue à une étape précoce de la voie de réponse aux phéromones et se produit rapidement, peut-être dans le but de prévenir la perte d’un partenaire potentiel. Nous argumentons que l'architecture du circuit Fus3-Ste5-Ptc1 génère un mécanisme inédit d'ultrasensibilité, ressemblant à "l'ultrasensibilité d'ordre zéro", qui résiste aux variations de concentration de ces protéines. Cette robustesse assure que l'accouplement puisse se produire en dépit de la stochasticité cellulaire ou de variations génétiques entre individus.Je démontre, par la suite, qu'un évènement précoce en réponse aux signaux extracellulaires recrutant Ste5 à la membrane plasmique est également ultrasensible à l'augmentation de la concentration de phéromones et que cette ultrasensibilité est engendrée par la déphosphorylation de huit phosphosites en N-terminal sur Ste5 par la phosphatase Ptc1 lorsqu'elle est associée à Ste5 via la protéine polarisante, Bem1. L'interférence dans ce mécanisme provoque une perte de l'ultrasensibilité et réduit, du même coup, l'amplitude et la fidélité de la voie de réponse aux phéromones à la stimulation. Ces changements se reflètent en une réduction de la fidélité et de la précision de la morphologie attribuable à la réponse d'accouplement. La polarisation dans l'assemblage du complexe protéique à la surface de la membrane plasmique est un thème général persistant dans tous les organismes, de la bactérie à l'humain. Un tel complexe est en mesure d'accroître l'efficacité, la fidélité et la spécificité de la transmission du signal. L'ensemble de nos découvertes démontre que l'ultrasensibilité, la précision et la robustesse de la réponse aux phéromones découlent de la régulation de la phosphorylation stoichiométrique de deux groupes de phosphosites sur Ste5, par la phosphatase Ptc1, un groupe effectuant le recrutement ultrasensible de Ste5 à la membrane et un autre incitant la dissociation et l'activation ultrasensible de la MAPK terminal Fus3. Le rôle modulateur de Ste5 dans la décision de la destinée cellulaire étend le répertoire fonctionnel des protéines d'échafaudage bien au-delà de l'accessoire dans la spécificité et l'efficacité des traitements de l'information. La régulation de la dynamique des caractères signal-réponse à travers une telle régulation modulaire des groupes de phosphosites sur des protéines d'échafaudage combinées à l'assemblage à la membrane peut être un moyen général par lequel la polarisation du destin cellulaire est obtenue. Des mécanismes similaires peuvent contrôler les décisions cellulaires dans les organismes complexes et peuvent être compromis dans des dérèglements cellulaires, tel que le cancer. Finalement, sur un thème relié, je présente la découverte d'un nouveau mécanisme où le seuil de la concentration de phéromones est contrôlé par une voie sensorielle de nutriments, ajustant, de cette manière, le point prédéterminé dans lequel la quantité et la qualité des nutriments accessibles dans l'environnement déterminent le seuil à partir duquel la levure s'accouple. La sous-unité régulatrice de la kinase à protéine A (PKA),Bcy1, une composante clé du réseau signalétique du senseur aux nutriments, interagit directement avec la sous-unité α des petites protéines G, Gpa1, le premier effecteur dans le réseau de réponse aux phéromones. L'interaction Bcy1-Gpa1 est accrue lorsque la cellule croit en présence d'un sucre idéal, le glucose, diminuant la concentration seuil auquel la décision d'accouplement est activée. Compromettre l'interaction Bcy1-Gpa1 ou inactiver Bcy1 accroît la concentration seuil nécessaire à une réponse aux phéromones. Nous argumentons qu'en ajustant leur sensibilité, les levures peuvent intégrer le stimulus provenant des phéromones au niveau du glucose extracellulaire, priorisant la décision de survie dans un milieu pauvre ou continuer leur cycle sexuel en choisissant un accouplement.

Exploring Rac GTPase regulation : the molecular mechanisms governing the DOCK180 and ELMO interaction and the role of this complex in Rac-mediated cell migration

Les protéines DOCK180 et ELMO coopèrent ensemble biochimiquement et génétiquement afin d’activer la GTPase Rac1 lors de plusieurs évènements biologiques. Toutefois, le rôle que jouent ces protéines dans la signalisation par Rac est encore mal compris. Nous émettons l’hypothèse que Dock180 agit comme activateur de Rac, alors que ELMO est requis pour l’intégration de la signalisation de Rac plutôt que son activation per se. Nous postulons que ELMO agit comme signal de localisation intracellulaire afin de restreindre de façon spatio-temporelle la signalisation de Rac en aval de Dock180, et/ou que ELMO agit comme protéine d’échafaudage entre Rac et ses effecteurs pour amplifier la migration cellulaire. Dans l’objectif nº 1, nous démontrons que le domaine PH atypique de ELMO1 est le site d’interaction principal entre cette protéine et DOCK180. De plus, nous démontrons que la liaison entre ELMO et DOCK180 n’est pas nécessaire pour l’activation de Rac, mais est plutôt essentielle pour faciliter la réorganisation du cytosquelette induite par l’activation de Rac en aval de Dock180. Ces résultats impliquent que ELMO pourrait jouer des rôles additionnels dans la signalisation par Rac. Dans l’objectif nº 2, nous avons découvert l’existence d’une homologie structurelle entre ELMO et un module d’autorégulation de la formine Dia1, et avons identifié trois nouveaux domaines dans la protéine ELMO : les domaines RBD, EID et EAD. De façon analogue à Dia1, nous avons découvert que ELMO à l’état basal est autoinhibé grâce à des intéractions intramoléculaires. Nous proposons que l’état d’activation des protéines ELMO est régulé de façon similaire aux formines de la famille Dia, c’est-à-dire grâce à des interactions avec d’autres protéines. Dans l’objectif nº 3, nous identifions un domaine RBD polyvalent chez ELMO. Ce domaine possède une double spécificité pour les GTPases de la famille Rho et Arf. Nous avons découvert que Arl4A agit comme signal de recrutement membranaire pour le module ELMO/DOCK180/Rac. Nos résultats nous permettent de supposer que d’autres GTPases pourraient être impliquées dans l’activation et la localisation de cette voie de signalisation. Nous concluons qu’à l’état basal, ELMO et DOCK180 forment un complexe dans lequel ELMO est dans sa conformation autoinhibée. Bien que le mécanisme d’activation de ELMO ne soit pas encore bien compris, nous avons découvert que, lorsqu’il y a stimulation cellulaire, certaines GTPases liées au GTP peuvent intéragir avec le domaine RBD de ELMO pour relâcher les contacts intramoléculaires et/ou localiser le complexe à la membrane. Ainsi, les GTPases peuvent servir d’ancrage au complexe ELMO/DOCK180 pour assurer une regulation spatiotemporelle adequate de l’activation et de la signalisation de Rac.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.