Progressive Purkinje Cell Degeneration in tambaleante Mutant Mice Is a Consequence of a Missense Mutation in HERC1 E3 Ubiquitin Ligase

The HERC gene family encodes proteins with two characteristic domains: HECT and RCC1-like. Proteins with HECT domain shave been described to function as ubiquitin ligases, and those that contain RCC1-like domains have been reported to function as GTPases regulators. These two activities are essential in a number of important cellular processes such as cell cycle, cell signaling, and membrane trafficking. Mutations affecting these domains have been found associated with retinitis pigmentosa, amyotrophic lateral sclerosis, and cancer. In humans, six HERC genes have been reported which encode two subgroups of HERC proteins: large (HERC1-2) and small (HERC3-6). The giant HERC1 protein was the first to be identified. It has been involved in membrane trafficking and cell proliferation/growth through its interactions with clathrin, M2-pyruvate kinase, and TSC2 proteins. Mutations affecting other members of the HERC family have been found to be associated with sterility and growth retardation. Here, we report the characterization of a recessive mutation named tambaleante, which causes progressive Purkinje cell degeneration leading to severe ataxia with reduced growth and lifespan in homozygous mice aged over two months. We mapped this mutation in mouse chromosome 9 and then performed positional cloning. We found a GuA transition at position 1448, causing a Gly to Glu substitution (Gly483Glu) in the highly conserved N- terminal RCC1-like domain of the HERC1 protein. Successful transgenic rescue, with either a mouse BAC containing the normal copy of Herc1 or with the human HERC1 cDNA, validated our findings. Histological and biochemical studies revealed extensive autophagy associated with an increase of the mutant protein level and a decrease of mTOR activity. Our observations concerning this first mutation in the Herc1 gene contribute to the functional annotation of the encoded E3 ubiquitin ligase and underline the crucial and unexpected role of this protein in Purkinje cell physiology.

Bisphosphonate Inhibition of Prostate Cancer Cell Invasion, Migration and Cytoskeletal Organization

Metastatic bone lesions are commonly associated with prostate cancer affecting approximately 60-80% of the patients. The progression of prostate cancer into an advanced stage is a complex process and its molecular mechanisms are poorly understood. So far, no curative treatment is available for advanced stages of prostate cancer. Bisphosphonates (BPs) are synthetic pyrophosphate analogues, which are used as therapeutics for various metabolic bone diseases because of their ability to inhibit osteoclastic bone resorption. Nitrogen-containing bisphosphonates block the function of osteoclasts by disturbing the vesicular traffic and the mevalonate pathway -related enzymes, for example farnesyl diphosphate synthase, which is involved in post-translational isoprenylation of small GTPases. In addition, the anti-proliferative, anti-invasive and pro-apoptotic effects of nitrogen-containing bisphosphonates on various cancer cell lines have been reported. The aim of this thesis work was to clarify the effects of bisphosphonates on prostate cancer cells, focusing on the mechanisms of adhesion, invasion and migration. Furthermore, the role of the mevalonate pathway and prenylation reactions in invasion and regulation of the cytoskeleton of prostate cancer cells were examined. Finally, the effects of alendronate on cytoskeleton- and actin-related proteins in prostate cancer cells were studied in vitro and in vivo. The results showed that the nitrogen-containing bisphosphonate alendronate inhibited the adhesion of prostate cancer cells to various extracellular matrix proteins and migration and invasion in vitro. Inhibition of invasion and migration was reversed by mevalonate pathway intermediates. The blockage of the prenylation transferases GGTase I and FTase inhibited the invasion, migration and actin organization of prostate cancer cells. The marked decrease of cofilin was observed by the prenylation inhibitors used. Inhibition of GGTase I also disrupted the regulation of focal adhesion kinase and paxillin. In addition, alendronate disrupted the cytoskeletal organization and decreased the level of cofilin in vitro and in vivo. The decrease of the cofilin level by alendronate could be one of the key mechanisms behind the observed inhibition of migration and invasion. Based on the effects of nitrogen-containing bisphosphonates on tumor cell invasion and cytoskeletal organization, they can be suggested to be developed as therapeutics for inhibiting prostate cancer metastasis.

Vesicular Trafficking in Osteoclasts

Osteoclasts are multinucleated bone-degrading cells that undergo large changes in their polarisation and vesicular trafficking during the bone resorption cycle. Rab proteins are small GTPases that offer both temporal and spatial regulation to the transport between membranous organelles. Previously the presence and function of only few of the currently known 60 Rab proteins in osteoclasts have been reported. In this study, the expression of 26 Rab genes in bone-resorbing osteoclasts was demonstrated with gene-specific primer pairs. The further analysis of three Rab genes during human osteoclast differentiation revealed that Rab13 gene is highly induced during osteoclastogenesis. The presence of Rab13 protein in the secretory vesicles directed towards the ruffled border and in the endocytotic or transcytotic pathways in resorbing osteoclasts was excluded. The localisation of Rab13 suggests that that it is associated with a previously unknown vesicle population travelling between the trans-Golgi network and the basolateral membrane in bone resorbing osteoclasts. Rab proteins convey their functions by binding to specific effector proteins. We found a novel Rab13 interaction with endospanins-1 and -2 that are yet poorly characterised small transmembrane proteins. The Rab13 subfamily member Rab8 also bound to endospanins, while Rab10 and unrelated Rabs did not. Rab13 and endospanin-2 co-localised in perinuclear vesicles in transfected cells, demonstrating the interaction also in vivo. The inhibition of Rab13 did not interfere with the localisation of endospanin-2 nor did it affect the cell surface expression of growth hormone receptor, as has been previously described for endospanins. The physiological role of this novel protein-protein interaction thus remains to be clarified. The analysis of the transcytotic route in bone resorbing osteoclasts revealed that multiple vesicle populations arise from the ruffled border and transport the bone degradation products for exocytosis. These vesicles are directed to the functional secretory domain that is encircled by an actin-based molecular barrier. Furthermore, the transcytotic vesicles contain abundant Helix pomatia lectin binding sites and represent lipid raft concentrates. Finally, autophagosomal compartments may also be involved in the transcytosis.

From Unspecific Quenching to Specific Signaling: Functional GTPase Assays Utilizing Quenching Resonance Energy Transfer (QRET) Technology

The aim of the work presented in this study was to demonstrate the wide applicability of a single-label quenching resonance energy transfer (QRET) assay based on time-resolved lanthanide luminescence. QRET technology is proximity dependent method utilizing weak and unspecific interaction between soluble quencher molecule and lanthanide chelate. The interaction between quencher and chelate is lost when the ligand binds to its target molecule. The properties of QRET technology are especially useful in high throughput screening (HTS) assays. At the beginning of this study, only end-point type QRET technology was available. To enable efficient study of enzymatic reactions, the QRET technology was further developed to enable measurement of reaction kinetics. This was performed using proteindeoxyribonuclei acid (DNA) interaction as a first tool to monitor reaction kinetics. Later, the QRET was used to study nucleotide exchange reaction kinetics and mutation induced effects to the small GTPase activity. Small GTPases act as a molecular switch shifting between active GTP bound and inactive GDP bound conformation. The possibility of monitoring reaction kinetics using the QRET technology was evaluated using two homogeneous assays: a direct growth factor detection assay and a nucleotide exchange monitoring assay with small GTPases. To complete the list, a heterogeneous assay for monitoring GTP hydrolysis using small GTPases, was developed. All these small GTPase assays could be performed using nanomolar protein concentrations without GTPase pretreatment. The results from these studies demonstrated that QRET technology can be used to monitor reaction kinetics and further enable the possibility to use the same method for screening.

Players of Th-cell differentiation and immune dysregulation – focus on GIMAP family genes

The balance of T helper (Th) cell differentiation is the fundamental process that ensures that the immune system functions correctly and effectively. The differentiation is a fine tuned event, the outcome of which is driven by activation of the T-cell in response to recognition of the specific antigen presented. The co-stimulatory signals from the surrounding cytokine milieu help to determine the outcome. An impairment in the differentiation processes may lead to an imbalance in immune responses and lead to immune-mediated pathologies. An over-representation of Th1 type cytokine producing cells leads to tissue-specific inflammation and autoimmunity, and excessive Th2 response is causative for atopy, asthma and allergy. The major factors of Th-cell differentiation and in the related disease mechanisms have been extensively studied, but the fine tuning of these processes by the other factors cannot be discarded. In the work presented in this thesis, the association of T-cell receptor costimulatory molecules CTLA4 and ICOS with autoimmune diabetes were studied. The underlying aspect of the study was to explore the polymorphism in these genes with the different disease rates observed in two geographically close populations. The main focus of this thesis was set on a GTPase of the immunity associated protein (GIMAP) family of small GTPases. GIMAP genes and proteins are differentially regulated during human Th-cell differentiation and have been linked to immune-mediated disorders. GIMAP4 is believed to contribute to the immunological balance via its role in T-cell survival. To elucidate the function of GIMAP4 and GIMAP5 and their role in human immunity, a study combining genetic association in different immunological diseases and complementing functional analyses was conducted. The study revealed interesting connections with the high susceptibility risk genes. In addition, the role of GIMAP4 during Th1-cell differentiation was investigated. A novel function of GIMAP4 in relation to cytokine secretion was discovered. Further assessment of GIMAP4 and GIMAP5 effect for the transcriptomic profile of differentiating Th1-cells revealed new insights for GIMAP4 and GIMAP5 function.

Nanoclustering augmentation : a novel mechanism of Ras activation in cancer

Proteins of the Ras family are central regulators of crucial cellular processes, such as proliferation, differentiation and apoptosis. Their importance is emphasized in cancer, in which the isoforms H-ras, N-ras and K-ras are misregulated by mutations in approximately 20 – 30 % of cases. Thus, they represent major cancer oncogenes and one of the most important targets for cancer drug development. Ras proteins are small GTPases, which cycle between the GTP-bound active and GDP-bound inactive state. Despite the tremendous research conducted in the last three decades, many fundamental properties of Ras proteins remain poorly understood. For instance, although new concepts have recently emerged, the understanding of Ras behavior in its native environment, the membrane, is still largely missing. On the membrane Ras organizes into nanoscale clusters, also called nanoclusters. They differ between isoforms, but also between activation states of Ras. It is considered that nanoclusters represent the basic Ras signaling units. Recently, it was demonstrated that on the membrane Ras adopts distinct conformations, the so-called orientations, which are dependent on the Ras activations state. The membrane-orientation of H-ras is stabilized by the helix α4 and the C-terminal hypervariable region (hvr). The novel switch III region was proposed to be involved in mediating the change between different H-ras orientations. When the regions involved in this mechanism are mutated, H-ras activity is changed by an unknown mechanism. This thesis has explained the connection between the change of Ras orientation on the membrane and Ras activity. We demonstrated that H-ras orientation mutants exhibit altered diffusion properties on the membrane, which reflect the changes in their nanoclustering. The altered nanoclustering consequently rules the activity of the mutants. Moreover, we demonstrated that specific cancer-related mutations, affecting the switch III region of different Ras isoforms, exhibit increased nanoclustering, which consequently leads to stronger Ras signaling and tumorigenicity. Thus, we have discovered nanoclustering increase as a novel mechanism of Ras activity modulation in cancer. The molecular architecture of complexes formed on the membrane upon Ras activation is another poorly understood property of Ras. The following work has provided novel details on the regulation of Ras nanoclustering by a known H-ras-GTP nanoclustering stabilizer galectin-1 (Gal-1). Our study demonstrated that Gal-1 is not able to bind Ras directly, as it was previously proposed. Instead, its effect on H-ras-GTP nanoclustering is indirect, through binding of the effector proteins. Collectively, our findings represent valuable novel insights in the behavior of Ras, which will help the future research to eventually develop new strategies to successfully target Ras in cancer.

Étude des mécanismes moléculaires menant à la migration cellulaire associée à Rac1 et ARF6.

Le facteur de l’ADP-ribosylation 6 (ARF6) et Rac1 sont des petites protéines liant le GTP qui régulent plusieurs voies de signalisation comprenant le trafic de vésicules, la modification des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 et Rac1 agissent de concert afin de contrôler ces différents processus cellulaires restent méconnus. Dans cette étude, nous montrons que, dans les cellules HEK293, ARF6 et Rac1 sont retrouvées en complexe suite à la stimulation du récepteur à l’angiotensine. Des expériences réalisées in vitro nous indiquent que ces deux GTPases interagissent ensemble directement, et que ARF6 s’associe préférentiellement avec la forme inactive de Rac1. L’inhibition de l’expression de ARF6 par interférence à l’ARN entraîne une activation marquée en cellule de Rac1 via le facteur PIX, indépendamment de la stimulation d’un récepteur, ce qui provoque la migration non contrôlée des cellules. Les arrestines, protéines de régulation de la désensibilisation des récepteurs couplés aux protéines G, servent de protéines d’échafaudage pour Rac1 et ARF6, en interagissant directement avec les GTPases et en augmentant leur association stimulée par l’angiotensine. De plus, les arrestines permettent l’activation, en s’en dissociant, de la MAP Kinase p38 qui régule l’activité de ARF6 et son interaction précoce avec les arrestines. Mis ensemble, ces résultats montrent que les arrestines contrôlent l’activité de ARF6, en influençant p38. ARF6 joue un rôle inhibiteur sur l’activation basale de Rac1 pour permettre ensuite son recrutement et son activation dépendante de l’angiotensine. Cette étude nous a permis de préciser le mode de régulation mis en jeu dans l’initiation de la migration cellulaire, suite à l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G. Par le fait même, nous avons identifié certains des acteurs impliqués dans ce processus, offrant ainsi de nouvelles cibles pour le traitement des déséquilibres pathophysiologiques de la migration cellulaire.

Étude des mécanismes moléculaires induits par Sonic hedgehog lors du guidage axonal des neurones commissuraux de la moelle épinière

Le morphogène Sonic hedgehog (Shh) est requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux lors du développement de la moelle épinière, phénomène impliquant des événements de réorganisation du cytosquelette d’actine. Bien qu’il soit généralement admis que le cytosquelette d’actine soit régulé via les petites GTPases de la famille Rho, un effet de Shh sur ces protéines n’a jamais été observé dans aucun contexte physiologique. Nous démontrons que Shh active les petites GTPases Rac1 et Cdc42 et que cette activation est rapide et donc, compatible avec les effets de guidage induits par Shh sur les neurones commissuraux. En parallèle, nous avons étudié l’activation de la protéine Boc, qui est un récepteur de Shh requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux. Ces résultats contribuent à raffiner notre compréhension de la transduction cellulaire induite par Shh lors du guidage axonal des neurones commissuraux.

Caractérisation fonctionnelle de la GTPase Ran dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le plus létal des cancers gynécologiques. Les tumeurs de l’ovaire se divisent en différentes classes reflétant l’étendue de la maladie. Les tumeurs à faible potentiel de malignité présentent une survie relative à 5 ans de 90%, alors que pour les tumeurs invasives, la survie à 5 ans chute drastiquement à 35-40%. Au laboratoire, nous avons précédemment identifié la protéine Ran, un membre de la superfamille des GTPases Ras, comme marqueur fortement exprimé dans les cancers épithéliaux de l’ovaire de haut grade et de haut stade dont la surexpression est associée à un mauvais pronostic. Ran est déjà connue pour contribuer au transport nucléocytoplasmique et à la progression du cycle cellulaire, mais son rôle dans le cancer ovarien n’est pas bien défini. En utilisant une approche de shRNA inductibles à la tétracycline basée sur les lentivirus, nous avons montré que la diminution de l’expression de Ran dans des lignées cellulaires agressives du cancer de l’ovaire affecte drastiquement la prolifération cellulaire par l’induction d’une apoptose caspase-3 dépendante. Par un essai de tumeurs en xénogreffes, nous avons démontré que la déplétion de Ran résulte en une diminution de la tumorigenèse et que la formation éventuelle de tumeurs est associée à une sélection des cellules tumorales ayant la capacité de ré-exprimer la protéine Ran. Ces résultats suggèrent un rôle critique pour Ran dans la survie et la tumorigénicité des cellules du cancer ovarien, indiquant que Ran pourrait être une cible thérapeutique intéressante.

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.

Analyse des protéines cellulaires incorporées dans les particules matures du virus de l’Herpès simplex de type 1

Les virus exploitent la machinerie cellulaire de l’hôte de façon très variée et plusieurs types vont même jusqu’à incorporer certaines protéines cellulaires. Nous avons récemment effectué la première analyse protéomique du virion mature de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1), ce qui nous a permis de déterminer que jusqu’à 49 protéines cellulaires différentes se retrouvaient dans ce virus (Loret, S. et al. (2008). "Comprehensive characterization of extracellular herpes simplex virus type 1 virions." J Virol 82(17): 8605-18.). Afin de déterminer leur importance dans le cycle de réplication d’HSV-1, nous avons mis au point un système de criblage nous permettant de quantifier le virus produit et relâché dans le milieu extracellulaire en utilisant un virus marqué à la GFP ainsi que des petits ARN interférents (pARNi) ciblant spécifiquement ces protéines cellulaires. Cette approche nous a permis de démontrer que 17 des protéines identifiées précédemment jouaient un rôle critique dans la réplication d’HSV-1, suggérant ainsi que leur incorporation dans le virus n’est pas aléatoire. Nous avons ensuite examiné le rôle d’une de ces protéines, DDX3X (DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 3, X-linked), une protéine multifonctionnelle connue pour son implication dans les cycles de réplication de plusieurs virus humains. À l’aide de pARNi ainsi que de différentes lignées cellulaires, dont une lignée DDX3X thermosensible, nous avons démontré que l’inhibition de DDX3X résultait en une diminution du nombre de capsides intracellulaires et induisait une importante diminution de l’expression des gènes viraux. Nous avons aussi démontré que la fraction de DDX3X incorporée dans le virion contribuait activement au cycle infectieux d’HSV-1. Ces résultats confirment l’intérêt de notre approche afin d’étudier les interactions hôte-pathogène en plus de démontrer la contribution des protéines cellulaires incorporées à HSV-1 dans l’infection virale.

L’étude du rôle d’ARF1 dans la migration et la prolifération des cellules du cancer du sein

Les facteurs d’ADP-ribosylation (ARFs) sont des petites GTPases impliquées dans le transport vésiculaire, la synthèse des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Les isoformes 1 (ARF1) et 6 (ARF6) sont les plus étudiées. ARF1 est connue pour être distribuée à l’appareil de Golgi, alors qu’ARF6 est confinée principalement à la membrane plasmique. Récemment, il a été démontré qu’ARF6 est hautement exprimée et activée dans plusieurs cellules de cancer du sein invasif et que celle-ci contrôle les processus de migration et d’invasion. Cependant, le rôle d’ARF1 dans ces processus biologiques impliqués dans la formation de métastases du cancer du sein demeure méconnu. Dans la présente étude, nous avons utilisé comme modèle d’étude pour ARF1 les MDA-MB-231, une lignée de cellules invasives du cancer du sein exprimant de haut niveau de récepteurs au facteur de croissance épidermique (EGFR). Afin d’évaluer le rôle d’ARF1 dans la migration, dans la transition épithéliale mésenchymateuse (EMT) et dans la prolifération cellulaire, nous avons procédé à deux types d’approches expérimentales, soit l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 par l’interférence à l’ARN de même que la surexpression de formes mutantes dominante négative (ARF1T31N) et constitutivement active d’ARF1 (ARF1Q71L), qui miment les formes inactive et active de la GTPase, respectivement. De manière intéressante, la suppression d’ARF1 et la surexpression de la forme inactive d’ARF1 induisent l’arrêt de la migration et de la prolifération des MDA-MB-231 de manière dépendante à l’activation de l’EGFR et ce, en bloquant l’activation de la voie PI3Kinase. De plus, nous démontrons qu’ARF1, de même que les ARF GEFs Cytohésine-1 et Cytohésine-2, contribuent au phénotype invasif des cellules tumorales de cancer du sein. Dans les mêmes approches expérimentales, nous montrons que l’inactivation d’ARF1 dans les MDA-MB-231 déclenche un arrêt de croissance irréversible associé à l’induction de la sénescence et ce, en régulant la fonction de la protéine du rétinoblastome pRb. Enfin, cette étude a permis de mettre en évidence le rôle physiologique d’ARF1 dans les processus de migration et de prolifération cellulaire, deux événements biologiques responsables de la progression du cancer du sein.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

ARF1 contrôle la migration des cellules hautement invasives du cancer du sein via Rac1

Dans un contexte où la forte prévalence du cancer du sein chez les femmes demeure depuis plusieurs années un enjeu de société majeur, les nouvelles stratégies visant à réduire la mortalité associée à cette maladie sont le sujet de nombreuses recherches scientifiques. Les facteurs d’ADP-ribosylation sont des petites protéines G monomériques importantes pour la réorganisation du cytosquelette d’actine, le remodelage des lipides membranaires et la formation de vésicules. Notre laboratoire a précédemment montré qu’ARF1 est surexprimée dans les cellules hautement invasives du cancer du sein et contribue à leur phénotype migratoire accru. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons défini le rôle de cette GTPase dans la migration de telles lignées cellulaires. Pour ce faire, nous avons étudié le rôle d’ARF1 dans l’activation de Rac1, un membre de la famille des GTPases Rho connu pour son implication dans la formation de lamellipodes ainsi que dans la migration cellulaire. Globalement, nous avons déterminé que l’activation d’ARF1 permet l’activation subséquente de Rac1 ainsi que de la voie de signalisation nécessaire au processus de migration. Par une approche d’interférence à l’ARN dans les cellules MDA-MB-231, nous avons d’abord montré la contribution essentielle de Rac1 la migration dépendante d’ARF1. Puis, de façon à établir le mécanisme derrière cette régulation, nous avons montré que l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 altère l’activation de Rac1 dépendante de l’EGF. Nous avons ensuite examiné les conséquences d’une telle inhibition sur les partenaires d’interaction de Rac1. Nous avons découvert qu’ARF1 et Rac1 forment un complexe constitutif, puis qu’ARF1est nécessaire à l’association de Rac1 à IRSp53, une protéine importante dans la formation de lamellipodes. La translocation dépendante de l’EGF du complexe Rac1/IRSp53 à la membrane plasmique est également sous le contrôle d’ARF1. En conclusion, cette étude fournit un nouveau mécanisme par lequel ARF1 régule la migration cellulaire et identifie cette GTPase en tant que cible pharmacologique prometteuse pour freiner le développement des métastases chez les patients atteints du cancer du sein.

Étude sur les fonctions in vivo des GEFs DOCK chez les mammifères

Dock1 (aussi nommé Dock180) est le membre prototypique de la famille Dock d’activateurs des petites GTPases de la famille Rho. Dock1 agit au sein d’une voie de signalisation conservée au cours de l’évolution et des études génétiques ont démontré que les orthologues de Dock1, myoblast city (mbc) chez la drosophile et Ced-5 chez le nématode, activent Rac dans divers processus biologiques. Notamment, mbc est un important régulateur de la fusion des myoblastes lors de la formation des fibres musculaires de drosophile. Mbc est aussi essentiel à la migration collective d’un groupe de cellules, appelées cellules de bordures, lors de leur migration dans la chambre de l’oeuf suite à l’activation de récepteurs à activité tyrosine kinase (RTK). La migration collective des cellules de bordures récapitule certains des événements observés lorsque des cellules tumorales envahissent le tissu environnant lors de la formation de métastases. Chez les mammifères, des études réalisées en lignées cellulaires suggèrent que Dock1 est aussi un régulateur du cytosquelette lors de la migration cellulaire. De plus, certaines études ont démontré que la voie Dock1/Rac agit en aval de RTKs lors de l’invasion de cellules de glioblastome. Néanmoins, les fonctions in vivo de Dock1 chez les mammifères demeurent méconnues et le but de cette thèse est d’identifier et de caractériser certaines de ses fonctions. Guidés par la fonction de mbc, nous démontrons dans l’objectif no 1 un rôle essentiel pour ce gène au cours du développement embryonnaire grâce à la caractérisation d’une souris Dock1 knock-out. Des défauts sévères de fusion des myoblastes sont observés en absence de l’expression de Dock1 et ils contribuent à la réduction de la masse musculaire des souris mutantes. De plus, nous avons constaté une contribution du gène Dock5, un membre de la famille Dock proche de Dock1, au développement des fibres musculaires. Dans l’objectif no 2, nous avons observé que des hauts niveaux d’expression de DOCK1 corrèlent avec un mauvais pronostic chez les patientes atteintes de cancer du sein possédant une forte expression du gène codant pour le RTK HER2. Une surexpression ou une amplification du locus codant pour le récepteur HER2 est associée à près de 20% des cas de cancer du sein. Les cancers de ces patientes développent fréquemment des métastases et sont associés à un mauvais pronostic. Des études biochimiques ont révélé que DOCK1 interagit avec le récepteur HER2 dans des cellules de cancer du sein. De plus, DOCK1 est essentiel à l’activation de RAC et à la migration cellulaire induite par HER2 dans ces cellules. L’utilisation d’un modèle de cancer du sein médié par HER2 chez la souris combiné avec l’inactivation du gène Dock1 dans les glandes mammaires, nous a permis d’identifier Dock1 et Rac comme de nouveaux effecteurs de la croissance tumorale et de la formation de métastases régulées par l’oncogène HER2. Nous concluons que l’utilisation de différents modèles de souris knock-out pour le gène Dock1 nous a permis d’identifier des fonctions clés de ce gène. Tout comme son orthologue mbc, Dock1 joue un rôle important lors du développement embryonnaire en régulant notamment la fusion des myoblastes. Nos études ont également contribué à démontrer un important degré de conservation des mécanismes moléculaires de fusion entre les espèces. De plus, DOCK1 agit en aval du RTK HER2 et son expression dans les cellules épithéliales de glandes mammaires contribue au développement tumoral et à la formation de métastases induits par cet oncogène.