Discovery of novel arenavirus receptors and entry factors

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

Intracellular ubiquitylation of the epithelial Na+ channel controls extracellular proteolytic channel activation via conformational change.

The epithelial Na(+) channel ENaC is a key player in the maintenance of whole body Na(+) balance, and consequently of blood pressure. It is tightly regulated by numerous signaling pathways including ubiquitylation via the ubiquitin-protein ligase Nedd4-2. This mechanism is itself under the control of several kinases, which phosphorylate Nedd4-2, thereby interfering with ENaC/Nedd4-2 interaction, or by Usp2-45, which binds to and deubiquitylates ENaC. Another, different regulatory mechanism concerns the proteolytic activation of ENaC, during which the channel is cleaved on its luminal side by intracellular convertases such as furin, and further activated by extracellular proteases such as CAP-1. This process is regulated as well but the underlying mechanisms are not understood. Previously, evidence was provided that the ubiquitylation status of ENaC may affect the cleavage of the channel. When ubiquitylation of ENaC was reduced, either by co-expressing Usp2-45, or mutating either the ENaC PY-motifs (i.e. the binding sites for Nedd4-2) or intracellular lysines (i.e. ubiquitylation sites), the level of channel cleavage was increased. Here we demonstrate that lysine-mutated ENaC channels are not ubiquitylated at the cell surface, are preferentially cleaved, and Usp2-45 does not affect their cleavage efficiency. We further show by limited proteolysis that the intracellular ubiquitylation status of ENaC affects the extracellular conformation of αENaC, by demonstrating that non-ubiquitylated channels are more efficiently cleaved when treated with extracellularly added trypsin or chymotrypsin. These results present a new paradigm in which an intracellular, post-translational modification (e.g. ubiquitylation) of a transmembrane protein can affect its extracellular conformation.

The evolutionary conserved BER1 gene is involved in microtubule stability in yeast

In yeast, microtubules are dynamic filaments necessary for spindle and nucleus positioning, as well as for proper chromosome segregation. We identify a function for the yeast gene BER1 (Benomyl REsistant 1) in microtubule stability. BER1 belongs to an evolutionary conserved gene family whose founding member Sensitivity to Red light Reduced is involved in red-light perception and circadian rhythms in Arabidopsis. Here, we present data showing that the ber1Delta mutant is affected in microtubule stability, particularly in presence of microtubule-depolymerising drugs. The pattern of synthetic lethal interactions obtained with the ber1Delta mutant suggests that Ber1 may function in N-terminal protein acetylation. Our work thus suggests that microtubule stability might be regulated through this post-translational modification on yet-to-be determined proteins

Quantify this! Report on a round table discussion on quantitative mass spectrometry in proteomics.

Following the success of the first round table in 2001, the Swiss Proteomic Society has organized two additional specific events during its last two meetings: a proteomic application exercise in 2002 and a round table in 2003. Such events have as their main objective to bring together, around a challenging topic in mass spectrometry, two groups of specialists, those who develop and commercialize mass spectrometry equipment and software, and expert MS users for peptidomics and proteomics studies. The first round table (Geneva, 2001) entitled "Challenges in Mass Spectrometry" was supported by brief oral presentations that stressed critical questions in the field of MS development or applications (Stöcklin and Binz, Proteomics 2002, 2, 825-827). Topics such as (i) direct analysis of complex biological samples, (ii) status and perspectives for MS investigations of noncovalent peptide-ligant interactions; (iii) is it more appropriate to have complementary instruments rather than a universal equipment, (iv) standardization and improvement of the MS signals for protein identification, (v) what would be the new generation of equipment and finally (vi) how to keep hardware and software adapted to MS up-to-date and accessible to all. For the SPS'02 meeting (Lausanne, 2002), a full session alternative event "Proteomic Application Exercise" was proposed. Two different samples were prepared and sent to the different participants: 100 micro g of snake venom (a complex mixture of peptides and proteins) and 10-20 micro g of almost pure recombinant polypeptide derived from the shrimp Penaeus vannamei carrying an heterogeneous post-translational modification (PTM). Among the 15 participants that received the samples blind, eight returned results and most of them were asked to present their results emphasizing the strategy, the manpower and the instrumentation used during the congress (Binz et. al., Proteomics 2003, 3, 1562-1566). It appeared that for the snake venom extract, the quality of the results was not particularly dependant on the strategy used, as all approaches allowed Lication of identification of a certain number of protein families. The genus of the snake was identified in most cases, but the species was ambiguous. Surprisingly, the precise identification of the recombinant almost pure polypeptides appeared to be much more complicated than expected as only one group reported the full sequence. Finally the SPS'03 meeting reported here included a round table on the difficult and challenging task of "Quantification by Mass Spectrometry", a discussion sustained by four selected oral presentations on the use of stable isotopes, electrospray ionization versus matrix-assisted laser desorption/ionization approaches to quantify peptides and proteins in biological fluids, the handling of differential two-dimensional liquid chromatography tandem mass spectrometry data resulting from high throughput experiments, and the quantitative analysis of PTMs. During these three events at the SPS meetings, the impressive quality and quantity of exchanges between the developers and providers of mass spectrometry equipment and software, expert users and the audience, were a key element for the success of these fruitful events and will have definitively paved the way for future round tables and challenging exercises at SPS meetings.

Distribution of events of positive selection and population differentiation in a metabolic pathway: the case of asparagine N-glycosylation

Asparagine N-Glycosylation is one of the most important forms of protein post-translational modification in eukaryotes. This metabolic pathway can be subdivided into two parts: an upstream sub-pathway required for achieving proper folding for most of the proteins synthesized in the secretory pathway, and a downstream sub-pathway required to give variability to trans-membrane proteins, and involved in adaptation to the environment and innate immunity. Here we analyze the nucleotide variability of the genes of this pathway in human populations, identifying which genes show greater population differentiation and which genes show signatures of recent positive selection. We also compare how these signals are distributed between the upstream and the downstream parts of the pathway, with the aim of exploring how forces of population differentiation and positive selection vary among genes involved in the same metabolic pathway but subject to different functional constraints. Our results show that genes in the downstream part of the pathway are more likely to show a signature of population differentiation, while events of positive selection are equally distributed among the two parts of the pathway. Moreover, events of positive selection are frequent on genes that are known to be at bifurcation points, and that are identified as being in key position by a network-level analysis such as MGAT3 and GCS1. These findings indicate that the upstream part of the Asparagine N-Glycosylation pathway has lower diversity among populations, while the downstream part is freer to tolerate diversity among populations. Moreover, the distribution of signatures of population differentiation and positive selection can change between parts of a pathway, especially between parts that are exposed to different functional constraints. Our results support the hypothesis that genes involved in constitutive processes can be expected to show lower population differentiation, while genes involved in traits related to the environment should show higher variability. Taken together, this work broadens our knowledge on how events of population differentiation and of positive selection are distributed among different parts of a metabolic pathway.

Analysis of TRIP expression in different types of skin tumor

TRAF-interacting protein (TRIP) is a ubiquitously expressed nucleolar E3 ubiquitin ligase. Ubiquitination of proteins is a post-translational modification, which decides on the cellular fate of the protein. TRIP in vivo substrate has not been yet identified. However, TRIP has been shown to play an important role in cellular proliferation, especially in keratinocytes. TRIP was found to be up-regulated in basal cell carcinoma (BCC) at the mRNA level. This prompted us to elucidate its role in skin proliferative diseases such as cancer by analyzing its expression in BCCs at protein level and in squamous cell carcinoma (SCC) at mRNA and protein level. To that purpose, we performed a real-time PCR (qPCR) analysis followed by an immunohistochemistry (IHC) on formalin-fixed, paraffin-embedded (FFPE) biopsies. The real-time PCR was performed on 12 RNA samples of which 6 were extracted from SCC biopsies and 6 from normal human skin. The results were statistically insignificant. Further analyses are needed on new RNA samples. The IHC assay was performed on 20 biopsies from BCCs, 21 biopsies from SCCs and on 5 tissues from normal human skin. The results obtained showed an extensive expression of TRIP in keratinocytes nuclei. Due to various limitations related to the technique and to doubts about preservation of the antigens in the tissues from normal human skin, we could not highlight a clear difference in TRIP expression between the different tissues. In conclusion, further analyses are needed on new RNA samples (qPCR) and on better preserved FFPE tissues from normal skin (IHC) to assess TRIP relative expression in BCCs and SCCs versus normal human skin.

Selective inhibition of human tankyrases

Tankyrases belong to the Diphtheria toxin-like ADP-ribosyltransferase (ARTD) enzyme superfamily, also known as poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs). They catalyze a covalent post-translational modification reaction where they transfer ADP-ribose units from NAD+ to target proteins. Tankyrases are involved in many cellular processes and their roles in telomere homeostasis, Wnt signaling and in several diseases including cancers have made them interesting drug targets. In this thesis project, selective inhibition of human tankyrases was studied. A homogeneous fluorescence-based assay was developed to screen the compound libraries. The assay is inexpensive, operationally easy, and performs well according to the statistical analysis. Assay suitability was confirmed by screening a natural product library. Flavone was identified as the most potent inhibitor in the library and this motivated us to screen a larger flavonoid library. Results showed that flavones were indeed the best inhibitor of tankyrases among flavonoids. To further study the structure-activity relationship, a small library of flavones containing single substitution was screened and potency measurements allowed us to generate structure-activity relationship. Compounds containing substitutions at 4´-position were more potent in comparison to other substitutions, and importantly, hydrophobic groups improved isoenzyme selectivity as well as the potency. A flavone derivative containing a hydrophobic isopropyl group (compound 22), displayed 6 nM potency against TNKS1, excellent isoenzyme selectivity and Wnt signaling inhibition. Protein interactions with compounds were studied by solving complex crystal structures of the compounds with TNKS2 catalytic domain. A novel tankyrase inhibitor (IWR-1) was also crystallized in complex with TNKS2 catalytic domain. The crystal structure of TNKS2 in complex with IWR-1 showed that the compound binds to adenosine site and it was the first known ARTD inhibitor of this kind. To date, there is no structural information available about the substrate binding with any of the ARTD family members; therefore NAD+ was soaked with TNKS2 catalytic domain crystals. However, analysis of crystal structure showed that NAD+ was hydrolyzed to nicotinamide. Also, a co-crystal structure of NAD+ mimic compound, EB-47, was solved which was used to deduce some insights about the substrate interactions with the enzyme. Like EB-47, other ARTD1 inhibitors were also shown to inhibit tankyrases. It indicated that selectivity of the ARTD1 inhibitors should be considered as some of the effects in cells could come from tankyrase inhibition. In conclusion, the study provides novel information on tankyrase inhibition and presents new insight into the selectivity and potency of compounds.

Regulation of gap junctions by protein phosphorylation

Gap junctions are constituted by intercellular channels and provide a pathway for transfer of ions and small molecules between adjacent cells of most tissues. The degree of intercellular coupling mediated by gap junctions depends on the number of gap junction channels and their activity may be a function of the state of phosphorylation of connexins, the structural subunit of gap junction channels. Protein phosphorylation has been proposed to control intercellular gap junctional communication at several steps from gene expression to protein degradation, including translational and post-translational modification of connexins (i.e., phosphorylation of the assembled channel acting as a gating mechanism) and assembly into and removal from the plasma membrane. Several connexins contain sites for phosphorylation for more than one protein kinase. These consensus sites vary between connexins and have been preferentially identified in the C-terminus. Changes in intercellular communication mediated by protein phosphorylation are believed to control various physiological tissue and cell functions as well as to be altered under pathological conditions.

Alternative oxidase in the branched mitochondrial respiratory network: an overview on structure, function, regulation, and role

Plants and some other organisms including protists possess a complex branched respiratory network in their mitochondria. Some pathways of this network are not energy-conserving and allow sites of energy conservation to be bypassed, leading to a decrease of the energy yield in the cells. It is a challenge to understand the regulation of the partitioning of electrons between the various energy-dissipating and -conserving pathways. This review is focused on the oxidase side of the respiratory chain that presents a cyanide-resistant energy-dissipating alternative oxidase (AOX) besides the cytochrome pathway. The known structural properties of AOX are described including transmembrane topology, dimerization, and active sites. Regulation of the alternative oxidase activity is presented in detail because of its complexity. The alternative oxidase activity is dependent on substrate availability: total ubiquinone concentration and its redox state in the membrane and O2 concentration in the cell. The alternative oxidase activity can be long-term regulated (gene expression) or short-term (post-translational modification, allosteric activation) regulated. Electron distribution (partitioning) between the alternative and cytochrome pathways during steady-state respiration is a crucial measurement to quantitatively analyze the effects of the various levels of regulation of the alternative oxidase. Three approaches are described with their specific domain of application and limitations: kinetic approach, oxygen isotope differential discrimination, and ADP/O method (thermokinetic approach). Lastly, the role of the alternative oxidase in non-thermogenic tissues is discussed in relation to the energy metabolism balance of the cell (supply in reducing equivalents/demand in energy and carbon) and with harmful reactive oxygen species formation.

Protein 3-nitrotyrosine formation during Trypanosoma cruzi infection in mice

Nitric oxide (·NO) is a diffusible messenger implicated in Trypanosoma cruzi resistance. Excess production of ·NO and oxidants leads to the generation of nitrogen dioxide (·NO2), a strong nitrating agent. Tyrosine nitration is a post-translational modification resulting from the addition of a nitro (-NO2) group to the ortho-position of tyrosine residues. Detection of protein 3-nitrotyrosine is regarded as a marker of nitro-oxidative stress and is observed in inflammatory processes. The formation and role of nitrating species in the control and myocardiopathy of T. cruzi infection remain to be studied. We investigated the levels of ·NO and protein 3-nitrotyrosine in the plasma of C3H and BALB/c mice and pharmacologically modulated their production during the acute phase of T. cruzi infection. We also looked for protein 3-nitrotyrosine in the hearts of infected animals. Our results demonstrated that C3H animals produced higher amounts of ·NO than BALB/c mice, but their generation of peroxynitrite was not proportionally enhanced and they had higher parasitemias. While N G-nitro-arginine methyl ester treatment abolished ·NO production and drastically augmented the parasitism, mercaptoethylguanidine and guanido-ethyl disulfide, at doses that moderately reduced the ·NO and 3-nitrotyrosine levels, paradoxically diminished the parasitemia in both strains. Nitrated proteins were also demonstrated in myocardial cells of infected mice. These data suggest that the control of T. cruzi infection depends not only on the capacity to produce ·NO, but also on its metabolic fate, including the generation of nitrating species that may constitute an important element in parasite resistance and collateral myocardial damage.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Étude de la polyubiquitination en lysine 63 dans les effets proinflammatoires de l'angiotensine II in vitro

Les évidences scientifiques révèlent l’implication des actions proinflammatoires de l’angiotensine II (Ang II) dans le développement de l’athérosclérose. Cependant, la caractérisation des bases moléculaires de l’Ang II sur le tissu vasculaire n’est pas totalement élucidée. La majorité des actions de l’Ang II implique l’activation d’une variété de cascades de signalisation dont les voies mitogen-activated protein kinases (MAPKs) ; c-Jun N-terminal kinases (JNKs), p38 kinases et extracellular signal-regulated kinases (ERK) et l’activation du facteur de transcription NF-κB via le complexe IKK. Récemment, une nouvelle modification post-traductionnelle dans les actions de l’Ang II, soit la polyubiquitination de la sous-unité NF-κB essential modulator (NEMO) du complexe IKK, a été révélée. L’objectif de mon projet de recherche est de vérifier l’importance de la polyubiquitination en K63 tout en caractérisant les protéines impliquées dans la modification de NEMO dans des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) exposées à l’Ang II. Notre étude suggère, selon une approche siARN combinant Ubc7 et Ubc13, la diminution de la phosphorylation du complexe IKK, de Akt et des MAPKs. De plus, nos résultats illustrent l’implication de TRAF6 dans la signalisation cellulaire de l’Ang II. Finalement, notre étude révèle la présence de la polyubiquitination en K63 dans la signalisation cellulaire de l’Ang II par chromatographie d’affinité. Cette étude met en évidence l’implication de la polyubiquitination en K63 dans la signalisation de l’Ang II dans des CMLV et implique Ubc13 et Ubc7 dans le remodelage vasculaire et l’inflammation dépendante de l’Ang II dans des CMLV.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.

Rôle de l'acétylation du facteur de transcription IRF3

L’immunité innée est notre premier mécanisme de défense contre l’invasion des pathogènes. Cette défense est basée sur la reconnaissance d’éléments invariables des pathogènes par des récepteurs encodés dans les lignées germinales. Dans la réponse anti-virale, le facteur de transcription Interferon Regulatory Factor 3 (IRF3) joue un rôle clé dans la réponse interféron de type I, combattant ainsi la réplication virale et conférant un état anti-viral aux cellules infectées ainsi qu’aux cellules avoisinantes. IRF3 est une protéine dont l’activation et la phosphorylation sont régulées par les kinases TBK1 et IKKi. Nous proposons ici que l’acétylation est une modification post-traductionnelle importante dans la régulation de l’activité d’IRF3. Nous avons observé par immunobuvardage qu’IRF3 est acétylé de façon basale et que cette acétylation est induite par la présence du co-facteur CBP et est inhibée par la présence de la kinase TBK1. Par spectrométrie de masse, nous avons ensuite identifié huit lysines sujettes à l’acétylation sur IRF3. Aussi, par mutagénèse dirigée, nous avons muté de façon ponctuelle chacun de ces sites et avons déterminé que la mutation de la lysine 87 inhibe la capacité d’IRF3 à s’attacher à l’ADN en EMSA et à transactiver son élément de réponse en essai luciférase. Aussi, nous proposons que l’acétylation masque la charge positive de la lysine 87 et contrôle de façon négative l’activité du facteur de transcription IRF3. Notre groupe démontre ainsi pour la première fois l’acétylation du facteur de transcription dans un modèle cellulaire et propose que ce processus joue un rôle inhibiteur dans la régulation de la protéine.