The Na+/H+ exchanger Nhx1 of Saccharomyces cerevisiae is essential to limit drug toxicity

Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

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.

Étude du rôle pathogénique de la formiminotransférase-cyclodésaminase dans l'hépatite auto-immune de type 2

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation de l'interaction des protéines associées aux microtubules, MAP2 et Tau avec les organelles membranaires et le rôle de ces protéines dans le maintien de la structure de ces organelles

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Association de tau avec les membranes Golgiennes : nouvelles avenues dans la pathogenèse de tau

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du rôle pathogénique de la formiminotransférase-cyclodésaminase dans l'hépatite auto-immune de type 2

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation de l'interaction des protéines associées aux microtubules, MAP2 et Tau avec les organelles membranaires et le rôle de ces protéines dans le maintien de la structure de ces organelles

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Association de tau avec les membranes Golgiennes : nouvelles avenues dans la pathogenèse de tau

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation d’un effecteur de phosphoinositides chez le parasite de la malaria "Plasmodium falciparum"

La malaria est une maladie infectieuse causant plus de 500 000 morts chaque année. La maladie est causée par un protozoaire de la famille Plasmodium. L’apparition de souches résistantes aux traitements actuels et l’absence de vaccin efficace rendent la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques urgente. Le parasite possède un complexe apical, un groupement de vacuoles sécrétoires spécialisées contenant les protéines responsables de l’invasion du globule rouge. Nous nous intéressons aux mécanismes gouvernant le transport intracellulaire de ces protéines et à la biogenèse du complexe apical lors de la formation des nouveaux parasites. Plus particulièrement, nous nous intéressons au rôle des phosphoinositides dans le recrutement des protéines à la membrane de l’appareil de Golgi. Par analyse bio-informatique du génome de P. falciparum, nous avons identifié plusieurs protéines effectrices liant potentiellement les phosphoinositides. Les travaux présentés dans ce mémoire concernent Mal13P1.188, une protéine possédant un domaine Pleckstrin homology. Nous proposons que Mal13P1.188 ait un rôle dans la génération du complexe apical en recrutant les protéines le constituant à la membrane du Golgi par la liaison avec les phosphoinositides. Afin de vérifier nos hypothèses, nous avons généré une lignée de parasite dont le gène de Mal13P1.188 est fusionné avec une GFP et une hémagglutinine. À l’aide de cette lignée de parasite, nous avons pu identifier Mal13P1.188 à proximité de l’appareil de Golgi lorsque les parasites étaient sous la forme schizont du cycle érythrocytaire. D’autres expériences ont permis de confirmer que le domaine Pleckstrin homology de Mal13P1.188 était capable de reconnaître les différentes formes de phosphoinositides. Finalement, d’autres travaux devront être faits sur Mal13P1.188 afin de déterminer si elle est essentielle à la survie du parasite.

Cholesterol regulates Syntaxin 6 trafficking at trans-Golgi network endosomal boundaries.

Inhibition of cholesterol export from late endosomes causes cellular cholesterol imbalance, including cholesterol depletion in the trans-Golgi network (TGN). Here, using Chinese hamster ovary (CHO) Niemann-Pick type C1 (NPC1) mutant cell lines and human NPC1 mutant fibroblasts, we show that altered cholesterol levels at the TGN/endosome boundaries trigger Syntaxin 6 (Stx6) accumulation into VAMP3, transferrin, and Rab11-positive recycling endosomes (REs). This increases Stx6/VAMP3 interaction and interferes with the recycling of αVβ3 and α5β1 integrins and cell migration, possibly in a Stx6-dependent manner. In NPC1 mutant cells, restoration of cholesterol levels in the TGN, but not inhibition of VAMP3, restores the steady-state localization of Stx6 in the TGN. Furthermore, elevation of RE cholesterol is associated with increased amounts of Stx6 in RE. Hence, the fine-tuning of cholesterol levels at the TGN-RE boundaries together with a subset of cholesterol-sensitive SNARE proteins may play a regulatory role in cell migration and invasion.

Golgi proteomics : Identification of a novel cartilage-specific Golgi protein GoPro49

The Golgi complex is a central organelle of the secretory pathway, responsible for a range of post-translational modifications, as well as for membrane traffic to the plasma membrane and to the endosomal-lysosomal pathway. In addition, this organelle has roles in cell migration, in the regulation of traffic, and as a mitotic check point. The structure of the Golgi complex is highly dynamic and able to respond to the amount of cargo being transported and the stage of the cell cycle. The Golgi proteome reflects the functions and structure of this organelle, and can be divided into three major groups: the Golgi resident proteins (e.g. modification enzymes), the Golgi matrix proteins (involved in structure and tethering events), and trafficking proteins (e.g. vesicle coat proteins and Rabs). The Golgi proteome has been studied on several occasions, from both rat liver and mammary gland Golgi membranes using proteomic approaches, but still little more than half of the estimated Golgi proteome is known. Nevertheless, methodological improvements and introduction of shotgun proteomics have increased the number of identified proteins, and especially the number of identified transmembrane proteins. Cartilage, even though not a typical tissue in which to study membrane traffic, secretes large amounts of extracellular matrix proteins that are extensively modified, especially by amino acid hydroxylation, glycosylation and sulfation. Furthermore, the cartilage ECM contains several, large oligomeric proteins (such as collagen II) that are difficult to assemble and transport. Indeed, cartilage has been shown to be susceptible to changes both in secretory pathway (e.g. the COPII coat assembly) and in post-translational modifications (e.g. heparan sulfate formation). Dental follicle, and the periodontal ligament (PDL) that it forms, are another type of connective tissue, and they have a role in anchoring teeth to bone. This anchorage is achieved by numerous matrix fibres that connect the bone matrix with the cementum. These tissues have in common the secretion of large matrix molecules. In this study the Golgi proteome was analysed from purified, stacked Golgi membranes isolated from rat liver. The identified, extensive proteome included a protein similar to Ab2-095, or Golgi protein 49kDa (GoPro49), which was shown to localise to the Golgi complex as an EGFP fusion protein. Surprisingly, in situ hybridisation showed the GoPro49 expression to be highly restricted to different mesenchymal tissues, especially in cartilage, and this expression pattern was clearly developmentally regulated. In addition to cartilage, GoPro49 was also expressed in the dental follicle, but was not observed in the mature PDL. Importantly, GoPro49 is the first specific marker for the dental follicle. Endogenous GoPro49 protein co-localised with β-COP in both chondrosarcoma and primary dental follicle cell lines. The COPI staining in these cells was highly dynamic, showing a number of tubules. This may reflect the type of secretory cargo they secrete. Currently GoPro49 is the only Golgi protein with such a restricted expression pattern.

Morphogenesis of Mammalian Endoplasmic Reticulum and Golgi Apparatus throughout the Cell Cycle

The endoplasmic reticulum (ER) and the Golgi apparatus are organelles that produce, modify and transport proteins and lipids and regulate Ca2+ environment within cells. Structurally they are composed of sheets and tubules. Sheets may take various forms: intact, fenestrated, single or stacked. The ER, including the nuclear envelope, is a single continuous network, while the Golgi shows only some level of connectivity. It is often unclear, how different morphologies correspond to particular functions. Previous studies indicate that the structures of the ER and Golgi are dynamic and regulated by fusion and fission events, cytoskeleton, rate of protein synthesis and secretion, and specific structural proteins. For example, many structural proteins shaping tubular ER have been identified, but sheet formation is much more unclear. In this study, we used light and electron microscopy to study morphological changes of the ER and Golgi in mammalian cells. The proportion, type, location and dynamics of ER sheets and tubules were found to vary in a cell type or cell cycle stage dependent manner. During interphase, ER and Golgi structures were demonstrated to be regulated by p37, a cofactor of the fusion factor p97, and microtubules, which also affected the localization of the organelles. Like previously shown for the Golgi, the ER displayed a tendency for fenestration and tubulation during mitosis. However, this shape change did not result in ER fragmentation as happens to Golgi, but a continuous network was retained. The activity of p97/p37 was found to be important for the reassembly of both organelles after mitosis. In EM images, ER sheet membranes appear rough, since they contain attached ribosomes, whereas tubular membranes appear smooth. Our studies revealed that structural changes of the ER towards fenestrated and tubular direction correlate with loss of ER-bound ribosomes and vice versa. High and low curvature ER membranes have a low and high density of ribosomes, respectively. To conclude, both ER and Golgi architecture depend on fusion activity of p97/p37. ER morphogenesis, particularly of the sheet shape, is intimately linked to the density of membrane bound ribosomes.

Besnoitia besnoiti and Toxoplasma gondii: two apicomplexan strategies to manipulate the host cell centrosome and Golgi apparatus

Besnoitia besnoiti and Toxoplasma gondii are two closely related parasites that interact with the host cell microtubule cytoskeleton during host cell invasion. Here we studied the relationship between the ability of these parasites to invade and to recruit the host cell centrosome and the Golgi apparatus. We observed that T. gondii recruits the host cell centrosome towards the parasitophorous vacuole (PV), whereas B. besnoiti does not. Notably, both parasites recruit the host Golgi apparatus to the PV but its organization is affected in different ways. We also investigated the impact of depleting and over-expressing the host centrosomal protein TBCCD1, involved in centrosome positioning and Golgi apparatus integrity, on the ability of these parasites to invade and replicate. Toxoplasma gondii replication rate decreases in cells over-expressing TBCCD1 but not in TBCCD1-depleted cells; while for B. besnoiti no differences were found. However, B. besnoiti promotes a reorganization of the Golgi ribbon previously fragmented by TBCCD1 depletion. These results suggest that successful establishment of PVs in the host cell requires modulation of the Golgi apparatus which probably involves modifications in microtubule cytoskeleton organization and dynamics. These differences in how T. gondii and B. besnoiti interact with their host cells may indicate different evolutionary paths.