The FAM deubiquitylating enzyme localizes to multiple points of protein trafficking in epithelia, where it associates with E-cadherin and β-catenin

Ubiquitylation is a necessary step in the endocytosis and lysosomal trafficking of many plasma membrane proteins and can also influence protein trafficking in the biosynthetic pathway. Although a molecular understanding of ubiquitylation in these processes is beginning to emerge, very little is known about the role deubiquitylation may play. Fat Facets in mouse (FAM) is substrate-specific deubiquitylating enzyme highly expressed in epithelia where it interacts with its substrate, β-catenin. Here we show, in the polarized intestinal epithelial cell line T84, FAM localized to multiple points of protein trafficking. FAM interacted with β-catenin and E-cadherin in T84 cells but only in subconfluent cultures. FAM extensively colocalized with β-catenin in cytoplasmic puncta but not at sites of cell-cell contact as well as immunoprecipitating with β-catenin and E-cadherin from a higher molecular weight complex (~500 kDa). At confluence FAM neither colocalized with, nor immunoprecipitated, β-catenin or E-cadherin, which were predominantly in a larger molecular weight complex (~2 MDa) at the cell surface. Overexpression of FAM in MCF-7 epithelial cells resulted in increased β-catenin levels, which localized to the plasma membrane. Expression of E-cadherin in L-cell fibroblasts resulted in the relocalization of FAM from the Golgi to cytoplasmic puncta. These data strongly suggest that FAM associates with E-cadherin and β-catenin during trafficking to the plasma membrane.

Antizyme Inhibitor 2 : A Novel Regulator of Cellular Polyamine Homeostasis

Polyamines are organic polycations that participate in various physiological functions, including cell proliferation, differentiation and apoptosis. Cellular polyamines originate from endogenous biosynthesis and exogenous sources. Their subcellular pool is under strict control, achieved by regulating their uptake and metabolism. Polyamine-induced proteins called antizymes (AZ) act as key regulators of intracellular polyamine concentration. They regulate both the transport of polyamines and the activity and degradation of ornithine decarboxylase (ODC), the rate-limiting enzyme in polyamine biosynthesis. AZs themselves are negatively regulated by antizyme inhibitor (AZIN). AZIN functions as a positive regulator of cellular polyamine homeostasis, which by binding to AZs reactivates ODC and induces the uptake of polyamines. In various pathological conditions, including cancer, polyamine levels are misregulated. Polyamine homeostasis has therefore become an attractive target for therapeutic interventions and it is thus crucial to characterize the molecular basis underlying the homeostatic regulation. A novel human AZIN-resembling protein was previously identified in our group. The purpose of this study was to elucidate the function and distribution of this protein, termed as an antizyme inhibitor 2 (AZIN2). According to my results, AZIN2 functions as a novel regulator of polyamine homeostasis. It shows no enzymatic activity, but instead it binds AZs and negates their activity, which subsequently leads to reactivation of ODC and inhibition of its degradation. Expression of AZIN2 is restricted to terminally differentiated cells, such as mast cells (MC) and neurosecretory cells. In these actively secreting cell types, AZIN2 localizes to subcellular vesicles or granules where its function is important for the vesicle-mediated secretion. In MCs, AZIN2 localizes to the serotonin-containing subset of MC granules, and its expression is coupled to MC activation. The functional role of polyamines as potential mediators of MC activity was also investigated, and it was observed that the secretion of serotonin is selectively dependent on activation of ODC. In neurosecretory cells, AZIN2-positive vesicles localize mainly to the trans-Golgi network (TGN). Depletion of AZIN2 or cellular polyamines causes selective fragmentation of the TGN and retards secretion of proteins. Since addition of exogenous polyamines reverses these effects, the data indicate that AZIN2 and its downstream effectors, polyamines, are functionally implicated in the regulation of secretory vesicle transport. My studies therefore reveal a novel function for polyamines as modulators of both constitutive and regulated secretion. Based on the results, I propose that the role of AZIN2 is to act as a local in situ activator of polyamine biosynthesis.

Vaccinia virus assembly and motility

Vaccinia virus, the prototype member of the orthopoxviruses, is the largest and the most complex virus known. After replication of its genome and expression of the viral proteins, vaccinia undergoes a complicated assembly process which produces two distinct infectious forms. The first of these, the intracellular mature virus (IMV), develops from the immature virion (IV) after packaging of the genome and cleavage of the core proteins. During the transition of the IV to the IMV, a new core structure develops in the centre of the virion, concomitantly with the appearance of spike-like structures which extend between this core and the surrounding membranes of the IMV. I describe the characterization of p39 (gene A4L) which is hypothesized to be one component of these spikes. p39 is a core protein, but has strong associations with the membranes surrounding the IMV, possibly due to an interaction with p21 (A17L). Due to its location between the core and the membranes of the IMV, p39 is ideally situated to act as a matrix-like linker protein and may play a role in the formation of the core during the transition of the IV to the IMV. The IMV is subsequently wrapped by a membrane cisterna derived from the trans Golgi network, to form the intracellular enveloped virus (IEV). I show that the IEV can co-opt the actin cytoskeleton of the host cell in order to induce the formation of actin tails which extend from one side of the virion. These actin tails propel the virus particle, both intra- and intercellularly, at speeds of up to 2.8µm/min. On reaching the plasma membrane, the virus particles project out from the cell surface at the tip of virally induced microvilli. The outer membrane of the IEV is thought to fuse with the plasma membrane at the tip of these projections, thus exposing the second infectious form of vaccinia. This is thought to be the means by which the cell-associated enveloped virus is presented to neighbouring cells, thereby facilitating the direct cell-to-cell spread of virus particles.

A functionally atypical amidating enzyme from the human parasite Schistosoma mansoni

Many neuropeptide transmitters require the presence of a carboxy-terminal alpha-amide group for biological activity. Amidation requires conversion of a glycine-extended peptide intermediate into a C-terminally amidated product. This post-translational modification depends on the sequential action of two enzymes (peptidylglycine alpha-hydroxylating monooxygenase or PHM, and peptidyl-alpha-hydroxyglycine alpha-amidating lyase or PAL) that in most eukaryotes are expressed as separate domains of a single protein (peptidylglycine alpha-amidating monooxygenase or PAM). We identified a cDNA encoding PHM in the human parasite Schistosoma mansoni. Transient expression of schistosome PHM (smPHM) revealed functional properties that are different from other PHM proteins; smPHM displays a lower pH-optimum and, when expressed in mammalian cells, is heavily N-glycosylated. In adult worms, PHM is found in the trans-Golgi network and secretory vesicles of both central and peripheral nerves. The widespread occurrence of PHM in the nervous system confirms the important role of amidated neuropeptides in these parasitic flatworms. The differences between schistosome and mammalian PHM suggest that it could be a target for new chemotherapeutics.

Arabidopsis Rab-E GTPases exhibit a novel interaction with a plasma-membrane phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase

Rab GTPases of the Arabidopsis Rab-E subclass are related to mammalian Rab8 and are implicated in membrane trafficking from the Golgi to the plasma membrane. Using a yeast two-hybrid assay, Arabidopsis phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase 2 (PtdIns(4)P 5-kinase 2; also known as PIP5K2), was shown to interact with all five members of the Rab-E subclass but not with other Rab subclasses residing at the Golgi or trans-Golgi network. Interactions in yeast and in vitro were strongest with RAB-E1d[Q74L] and weakest with the RAB-E1d[S29N] suggesting that PIP5K2 interacts with the GTP-bound form. PIP5K2 exhibited kinase activity towards phosphatidylinositol phosphates with a free 5-hydroxyl group, consistent with PtdIns(4)P 5-kinase activity and this activity was stimulated by Rab binding. Rab-E proteins interacted with PIP5K2 via its membrane occupancy and recognition nexus (MORN) domain which is missing from animal and fungal PtdIns(4)P 5-kinases. In plant cells, GFP:PIP5K2 accumulated at the plasma membrane and caused YFP:RAB-E1d to relocate there from its usual position at the Golgi. GFP:PIP5K2 was rapidly turned over by proteasomal activity in planta, and overexpression of YFP:PIP5K2 caused pleiotropic growth abnormalities in transgenic Arabidopsis. We propose that plant cells exhibit a novel interaction in which PIP5K2 binds GTP-bound Rab-E proteins, which may stimulate temporally or spatially localized PtdIns(4,5)P(2) production at the plasma membrane.

Clathrin adaptor epsinR is required for retrograde sorting on early endosomal membranes

Retrograde transport links early/recycling endosomes to the trans-Golgi network (TGN), thereby connecting the endocytic and the biosynthetic/secretory pathways. To determine how internalized molecules are targeted to the retrograde route, we have interfered with the function of clathrin and that of two proteins that interact with it, AP1 and epsinR. We found that the glycosphingolipid binding bacterial Shiga toxin entered cells efficiently when clathrin expression was inhibited. However, retrograde transport of Shiga toxin to the TGN was strongly inhibited. This allowed us to show that for Shiga toxin, retrograde sorting on early/recycling endosomes depends on clathrin and epsinR, but not AP1. EpsinR was also involved in retrograde transport of two endogenous proteins, TGN38/46 and mannose 6-phosphate receptor. In conclusion, our work reveals the existence of clathrin-independent and -dependent transport steps in the retrograde route, and establishes a function for clathrin and epsinR at the endosome-TGN interface.

EpsinR an AP1/clathrin interacting protein involved in vesicle trafficking

EpsinR is a clathrin-coated vesicle (CCV) enriched 70-kD protein that binds to phosphatidylinositol-4-phosphate, clathrin, and the gamma appendage domain of the adaptor protein complex 1 (AP1). In cells, its distribution overlaps with the perinuclear pool of clathrin and AP1 adaptors. Overexpression disrupts the CCV-dependent trafficking of cathepsin D from the trans-Golgi network to lysosomes and the incorporation of mannose-6-phosphate receptors into CCVs. These biochemical and cell biological data point to a role for epsinR in AP1/clathrin budding events in the cell, just as epsin1 is involved in the budding of AP2 CCVs. Furthermore, we show that two gamma appendage domains can simultaneously bind to epsinR with affinities of 0.7 and 45 microM, respectively. Thus, potentially, two AP1 complexes can bind to one epsinR. This high affinity binding allowed us to identify a consensus binding motif of the form DFxDF, which we also find in gamma-synergin and use to predict that an uncharacterized EF-hand-containing protein will be a new gamma binding partner.

Étude de la sortie du virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) hors du noyau

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire.

Contribution de la Glycoprotéine M dans la Sortie de HSV-1

Le Virus Herpès Simplex de type 1 (HSV-1) est un agent infectieux qui cause l’herpès chez une grande proportion de la population mondiale. L’herpès est généralement considéré comme une maladie bénigne dont la forme la plus commune est l'herpès labial (communément appelé « bouton de fièvre »), mais elle peut se révéler très sérieuse et causer la cécité et l’encéphalite, voir létale dans certain cas. Le virus persiste toute la vie dans le corps de son hôte. Jusqu'à présent, aucun traitement ne peut éliminer le virus et aucun vaccin n’a été prouvé efficace pour contrôler l’infection herpétique. HSV-1 est un virus avec un génome d’ADN bicaténaire contenu dans une capside icosaèdrale entourée d’une enveloppe lipidique. Treize glycoprotéines virales se trouvent dans cette enveloppe et sont connues ou supposées jouer des rôles distincts dans différentes étapes du cycle de réplication viral, incluant l'attachement, l'entrée, l’assemblage, et la propagation des virus. La glycoprotéine M (gM) qui figure parmi ces glycoprotéines d’enveloppe, est la seule glycoprotéine non essentielle mais est conservée dans toute la famille herpesviridae. Récemment, l’homologue de gM dans le Pseudorabies virus (PRV), un autre herpesvirus, a été impliqué dans la phase finale de l’assemblage (i.e. l’enveloppement cytoplasmique) au niveau du réseau trans-Golgi (TGN) en reconnaissant spécifiquement des protéines tégumentaires et d’autres glycoprotéines d’enveloppe ([1]). Toutefois, il a été proposé que cette hypothèse ne s’applique pas pour le HSV-1 ([2]). De plus, contrairement à la localisation au TGN dans les cellules transfectées, HSV-1 gM se localise dans la membrane nucléaire et sur les virions périnucléaires durant une infection. L’objectif du projet présenté ici était d’éclaircir la relation de la localisation et la fonction de HSV-1 gM dans le contexte d’une infection. Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons tout abord un mécanisme spécifique de ciblage nucléaire de HSV-1 gM. En phase précoce d’une infection, gM est ciblée à la membrane nucléaire d'une manière virus ii dépendante. Cela se produit avant la réorganisation du TGN normalement induite par l’infection et avant que gM n’entre dans la voie de sécrétion. Ce ciblage nucléaire actif et spécifique de gM ne semble pas dépendre des plusieurs des partenaires d’interaction proposés dans la littérature. Ces données suggèrent que la forme nucléaire de gM pourrait avoir un nouveau rôle indépendant de l’enveloppement final dans le cytoplasme. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous avons concentré nos efforts sur le rôle de gM dans l’assemblage du virus en phase tardive de l’infection et en identifiant un domaine critique de gM. Nos résultats mettent en valeur l’importance du domaine carboxyl-terminal cytoplasmique de gM dans le transport de gM du réticulum endoplasmique (RE) à l’appareil de Golgi, dans l’enveloppement cytoplasmique et la propagation intercellulaire du virus. Ainsi, l’export du RE de gM a été complètement compromis dans les cellules transfectées exprimant un mutant de gM dépourvu de sa région C-terminale. La délétion la queue cytoplasmique de gM cause une réduction légère du titre viral et de la taille des plaques. L'analyse de ces mutants par microscopie électronique a démontré une accumulation des nucléocapsides sans enveloppe dans le cytoplasme par rapport aux virus de type sauvage. Étrangement, ce phénotype était apparent dans les cellules BHK mais absent dans les cellules 143B, suggérant que la fonction de gM dépende du type cellulaire. Finalement, le criblage de partenaires d’interaction du domaine C-terminal de gM identifiés par le système de double-hybride nous a permis de proposer plusieurs candidats susceptibles de réguler la fonction de gM dans la morphogénèse et la propagation de virus.

Dégradation des membres de la famille du LDLR par la convertase PCSK9 : troisième locus de l'hypercholestérolémie familiale

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel.

Étude du mécanisme d’augmentation de la relâche virale par la protéine Vpu du VIH-1

Les différentes protéines accessoires du VIH-1, l’agent étiologique du SIDA, optimisent la réplication et la propagation du virus in vivo. Parmi ces dernières figure Vpu, l’antagoniste du facteur de restriction nommé Tetherin qui prévient la relâche des particules virales à partir de la surface de cellules infectées. En diminuant son expression de surface, Vpu prévient l’incorporation de ce facteur de restriction dans la particule virale en formation et conséquemment, empêche la formation d’une ancre protéique reliant le virus mature à la membrane plasmique de la cellule infectée. La mécanistique sous-jacente n’était cependant pas connue. Cette présente thèse relate nos travaux exécutés afin d’élucider la dynamique des mécanismes cellulaires responsables de cet antagonisme. Une approche de mutagénèse dirigée a d’abord permis d’identifier deux régions contenant des déterminants de la localisation de Vpu dans le réseau trans-Golgi (RTG), puis de démontrer la relation existante entre cette distribution et l’augmentation de la relâche des particules virales. Des expériences subséquentes de marquage métabolique suivi d’une chasse exécutées dans des systèmes cellulaires où Tetherin est exprimée de façon endogène ont suggéré le caractère dispensable de l’induction par Vpu de la dégradation du facteur de restriction lors de son antagonisme. En revanche, une approche de réexpression de Tetherin conduite en cytométrie en flux, confirmée en microscopie confocale, a mis en évidence une séquestration de Tetherin dans le RTG en présence de Vpu, phénomène qui s’est avéré nécessiter l’interaction entre les deux protéines. L’usage d’un système d’expression de Vpu inductible conjugué à des techniques de cytométrie en flux nous a permis d’apprécier l’effet majeur de Vpu sur la Tetherin néo-synthétisée et plus mineur sur la Tetherin de surface. En présence de Vpu, la séquestration intracellulaire de la Tetherin néo-synthétisée et la légère accélération de l’internalisation naturelle de celle en surface se sont avérées suffisantes à la réduction de son expression globale à la membrane plasmique et ce, à temps pour l’initiation du processus de relâche virale. À la lumière de nos résultats, nous proposons un modèle où la séquestration de la Tetherin néo-synthétisée dans le RTG préviendrait le réapprovisionnement de Tetherin en surface qui, combinée avec l’internalisation naturelle de Tetherin à partir de la membrane plasmique, imposerait l’établissement d’un nouvel équilibre de Tetherin incompatible avec une restriction de la relâche des particules virales. Cette thèse nous a donc permis d’identifier un processus par lequel Vpu augmente la sécrétion de virus matures et établit une base mécanistique nécessaire à la compréhension de la contribution de Vpu à la propagation et à la pathogénèse du virus, ce qui pourrait mener à l’élaboration d’une stratégie visant à contrer l’effet de cette protéine virale.

Caractérisation de la migration du virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1) par protéomique

Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1), agent étiologique des feux sauvages, possède une structure multicouche comprenant une capside icosaédrale qui protège le génome viral d’ADN, une couche protéique très structurée appelée tégument et une enveloppe lipidique dérivant de la cellule hôte et parsemée de glycoprotéines virales. Tous ces constituants sont acquis séquentiellement à partir du noyau, du cytoplasme et du réseau trans-golgien. Cette structure multicouche confère à HSV-1 un potentiel considérable pour incorporer des protéines virales et cellulaires. Toutefois, l’ensemble des protéines qui composent ce virus n’a pas encore été élucidé. De plus, malgré son rôle critique à différentes étapes de l’infection, le tégument demeure encore mal défini et ce, tant dans sa composition que dans la séquence d’addition des protéines qui le composent. Toutes ces incertitudes quant aux mécanismes impliqués dans la morphogenèse du virus nous amènent à l’objectif de ce projet, soit la caractérisation du processus de maturation d’HSV-1. Le premier article présenté dans cette thèse et publié dans Journal of Virology s’attarde à la caractérisation protéique des virus extracellulaires matures. Grâce à l’élaboration d’un protocole d’isolation et de purification de ces virions, une étude protéomique a pu être effectuée. Celle-ci nous a permis de réaliser une cartographie de la composition globale en protéines virales des virus matures (8 protéines de la capside, 23 protéines du tégument et 13 glycoprotéines) qui a fait la page couverture de Journal of Virology. De plus, l’incorporation potentielle de 49 protéines cellulaires différentes a été révélée. Lors de cette étude protéomique, nous avons aussi relevé la présence de nouveaux composants du virion dont UL7, UL23, ICP0 et ICP4. Le deuxième article publié dans Journal of General Virology focalise sur ces protéines via une analyse biochimique afin de mieux comprendre les interactions et la dynamique du tégument. Ces résultats nous révèlent que, contrairement aux protéines ICP0 et ICP4, UL7 et UL23 peuvent être relâchées de la capside en présence de sels et que les cystéines libres jouent un rôle dans cette relâche. De plus, cet article met en évidence la présence d’ICP0 et d’ICP4 sur les capsides nucléaires suggérant une acquisition possible du tégument au noyau. La complexité du processus de morphogenèse du virus ainsi que la mise en évidence d’acquisition de protéines du tégument au noyau nous ont incités à poursuivre nos recherches sur la composition du virus à un stade précoce de son cycle viral. Les capsides C matures, prémisses des virus extracellulaires, ont donc été isolées et purifiées grâce à un protocole innovateur basé sur le tri par cytométrie en flux. L’analyse préliminaire de ces capsides par protéomique a permis d’identifier 28 protéines virales et 39 protéines cellulaires. Les données recueilles, comparées à celles obtenues avec les virus extracellulaires, suggèrent clairement un processus séquentiel d’acquisition des protéines du tégument débutant dans le noyau, site d’assemblage des capsides. Finalement, tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation d’HSV-1 via l’utilisation de techniques variées et innovatrices, telles que la protéomique et la cytométrie en flux, pouvant être appliquées à d’autres virus mais aussi permettre le développement de meilleurs traitements pour vaincre l’HSV-1.

Étude du trafic cellulaire de la convertase de proprotéine PCSK9 responsable de la dégradation du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR)

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de mortalité dans les pays industrialisés. L'hypercholestérolémie constitue un facteur de risque majeur pour les MCV. Elle est caractérisée par des niveaux élevés de lipoprotéines de faible densité (LDL, aussi appelé “mauvais cholestérol”). La présence prolongée de haut niveaux de LDL dans la circulation augmente le risque de formation de plaques athérosclérotiques, ce qui peut conduire à l'obstruction des artères et l'infarctus du myocarde. Le LDL est normalement extrait du sang par sa liaison au récepteur du LDL (LDLR) qui est responsable de son endocytose dans les hépatocytes. Des études génétiques humaines ont identifié PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) comme le troisième locus responsable de l'hypercholestérolémie autosomique dominante après le LDLR et son ligand l’apolipoprotéine B-100. PCSK9 interagit avec le LDLR et induit sa dégradation, augmentant ainsi les niveaux plasmatiques de LDL. Les mutations gain de fonction (GF) de PCSK9 sont associées à des niveaux plasmatiques élevés de LDL et à l'apparition précoce des MCV, alors que les mutations perte de fonction (PF) de PCSK9 diminuent le risque de MCV jusqu’à ~ 88% grâce à une réduction du LDL circulant. De ce fait, PCSK9 constitue une cible pharmacologique importante pour réduire le risque de MCV. PCSK9 lie le LDLR à la surface cellulaire et/ou dans l'appareil de Golgi des hépatocytes et provoque sa dégradation dans les lysosomes par un mécanisme encore mal compris. Le but de cette étude est de déterminer pourquoi certaines mutations humaines de PCSK9 sont incapables de dégrader le LDLR tandis que d'autres augmentent sa dégradation dans les lysosomes. Plusieurs mutations GF et PF de PCSK9 ont été fusionnées à la protéine fluorecente mCherry dans le but d'étudier leur mobilité moléculaire dans les cellules hépatiques vivantes. Nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que les mutations GF (S127R et D129G) avaient une mobilité protéique plus élevée (> 35% par rapport au WT) dans le réseau trans- Golgien. En outre, nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence inverse après photoblanchiment (iFRAP) ont montré que les mutations PF de PCSK9 (R46L) avaient une mobilité protéique plus lente (<22% par rapport au WT) et une fraction mobile beaucoup plus petite (<40% par rapport au WT). Par ailleurs, nos analyses de microscopie confocale et électronique démontrent pour la toute première fois que PCSK9 est localisée et concentrée dans le TGN des hépatocytes humains via son domaine Cterminal (CHRD) qui est essentiel à la dégradation du LDLR. De plus, nos analyses sur des cellules vivantes démontrent pour la première fois que le CHRD n'est pas nécessaire à l'internalisation de PCSK9. Ces résultats apportent de nouveaux éléments importants sur le mécanisme d'action de PCSK9 et pourront contribuer ultimement au développement d'inhibiteurs de la dégradation du LDLR induite par PCSK9.

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

Identification of a highly conserved valine-glycine-phenylalanine amino acid triplet required for HIV-1 Nef function

Background The Nef protein of HIV facilitates virus replication and disease progression in infected patients. This role as pathogenesis factor depends on several genetically separable Nef functions that are mediated by interactions of highly conserved protein-protein interaction motifs with different host cell proteins. By studying the functionality of a series of nef alleles from clinical isolates, we identified a dysfunctional HIV group O Nef in which a highly conserved valine-glycine-phenylalanine (VGF) region, which links a preceding acidic cluster with the following proline-rich motif into an amphipathic surface was deleted. In this study, we aimed to study the functional importance of this VGF region. Results The dysfunctional HIV group O8 nef allele was restored to the consensus sequence, and mutants of canonical (NL4.3, NA-7, SF2) and non-canonical (B2 and C1422) HIV-1 group M nef alleles were generated in which the amino acids of the VGF region were changed into alanines (VGF→AAA) and tested for their capacity to interfere with surface receptor trafficking, signal transduction and enhancement of viral replication and infectivity. We found the VGF motif, and each individual amino acid of this motif, to be critical for downregulation of MHC-I and CXCR4. Moreover, Nef’s association with the cellular p21-activated kinase 2 (PAK2), the resulting deregulation of cofilin and inhibition of host cell actin remodeling, and targeting of Lck kinase to the trans-golgi-network (TGN) were affected as well. Of particular interest, VGF integrity was essential for Nef-mediated enhancement of HIV virion infectivity and HIV replication in peripheral blood lymphocytes. For targeting of Lck kinase to the TGN and viral infectivity, especially the phenylalanine of the triplet was essential. At the molecular level, the VGF motif was required for the physical interaction of the adjacent proline-rich motif with Hck. Conclusion Based on these findings, we propose that this highly conserved three amino acid VGF motif together with the acidic cluster and the proline-rich motif form a previously unrecognized amphipathic surface on Nef. This surface appears to be essential for the majority of Nef functions and thus represents a prime target for the pharmacological inhibition of Nef.