REGULATION OF SHAPE DYNAMICS AND ACTIN POLYMERIZATION DURING COLLECTIVE CELL MIGRATION

This thesis aims to understand how cells coordinate their motion during collective migration. As previously shown, the motion of individually migrating cells is governed by wave-like cell shape dynamics. The mechanisms that regulate these dynamic behaviors in response to extracellular environment remain largely unclear. I applied shape dynamics analysis to Dictyostelium cells migrating in pairs and in multicellular streams and found that wave-like membrane protrusions are highly coupled between touching cells. I further characterized cell motion by using principle component analysis (PCA) to decompose complex cell shape changes into a serial shape change modes, from which I found that streaming cells exhibit localized anterior protrusion, termed front narrowing, to facilitate cell-cell coupling. I next explored cytoskeleton-based mechanisms of cell-cell coupling by measuring the dynamics of actin polymerization. Actin polymerization waves observed in individual cells were significantly suppressed in multicellular streams. Streaming cells exclusively produced F-actin at cell-cell contact regions, especially at cell fronts. I demonstrated that such restricted actin polymerization is associated with cell-cell coupling, as reducing actin polymerization with Latrunculin A leads to the assembly of F-actin at the side of streams, the decrease of front narrowing, and the decoupling of protrusion waves. My studies also suggest that collective migration is guided by cell-surface interactions. I examined the aggregation of Dictyostelim cells under distinct conditions and found that both chemical compositions of surfaces and surface-adhesion defects in cells result in altered collective migration patterns. I also investigated the shape dynamics of cells suspended on PEG-coated surfaces, which showed that coupling of protrusion waves disappears on touching suspended cells. These observations indicate that collective migration requires a balance between cell-cell and cell-surface adhesions. I hypothesized such a balance is reached via the regulation of cytoskeleton. Indeed, I found cells actively regulate cytoskeleton to retain optimal cell-surface adhesions on varying surfaces, and cells lacking the link between actin and surfaces (talin A) could not retain the optimal adhesions. On the other hand, suspended cells exhibited enhanced actin filament assembly on the periphery of cell groups instead of in cell-cell contact regions, which facilitates their aggregation in a clumping fashion.

Guided Migration and Collective Behavior: Cell Dynamics during Cancer Progression

This dissertation focuses on gaining understanding of cell migration and collective behavior through a combination of experiment, analysis, and modeling techniques. Cell migration is a ubiquitous process that plays an important role during embryonic development and wound healing as well as in diseases like cancer, which is a particular focus of this work. As cancer cells become increasingly malignant, they acquire the ability to migrate away from the primary tumor and spread throughout the body to form metastatic tumors. During this process, changes in gene expression and the surrounding tumor environment can lead to changes in cell migration characteristics. In this thesis, I analyze how cells are guided by the texture of their environment and how cells cooperate with their neighbors to move collectively. The emergent properties of collectively moving groups are a particular focus of this work as collective cell dynamics are known to change in diseases such as cancer. The internal machinery for cell migration involves polymerization of the actin cytoskeleton to create protrusions that---in coordination with retraction of the rear of the cell---lead to cell motion. This actin machinery has been previously shown to respond to the topography of the surrounding surface, leading to guided migration of amoeboid cells. Here we show that epithelial cells on nanoscale ridge structures also show changes in the morphology of their cytoskeletons; actin is found to align with the ridge structures. The migration of the cells is also guided preferentially along the ridge length. These ridge structures are on length scales similar to those found in tumor microenvironments and as such provide a system for studying the response of the cells' internal migration machinery to physiologically relevant topographical cues. In addition to sensing surface topography, individual cells can also be influenced by the pushing and pulling of neighboring cells. The emergent properties of collectively migrating cells show interesting dynamics and are relevant for cancer progression, but have been less studied than the motion of individual cells. We use Particle Image Velocimetry (PIV) to extract the motion of a collectively migrating cell sheet from time lapse images. The resulting flow fields allow us to analyze collective behavior over multiple length and time scales. To analyze the connection between individual cell properties and collective migration behavior, we compare experimental flow fields with the migration of simulated cell groups. Our collective migration metrics allow for a quantitative comparison between experimental and simulated results. This comparison shows that tissue-scale decreases in collective behavior can result from changes in individual cell activity without the need to postulate the existence of subpopulations of leader cells or global gradients. In addition to tissue-scale trends in collective behavior, the migration of cell groups includes localized dynamic features such as cell rearrangements. An individual cell may smoothly follow the motion of its neighbors (affine motion) or move in a more individualistic manner (non-affine motion). By decomposing individual motion into both affine and non-affine components, we measure cell rearrangements within a collective sheet. Finally, finite-time Lyapunov exponent (FTLE) values capture the stretching of the flow field and reflect its chaotic character. Applying collective migration analysis techniques to experimental data on both malignant and non-malignant human breast epithelial cells reveals differences in collective behavior that are not found from analyzing migration speeds alone. Non-malignant cells show increased cooperative motion on long time scales whereas malignant cells remain uncooperative as time progresses. Combining multiple analysis techniques also shows that these two cell types differ in their response to a perturbation of cell-cell adhesion through the molecule E-cadherin. Non-malignant MCF10A cells use E-cadherin for short time coordination of collective motion, yet even with decreased E-cadherin expression, the cells remain coordinated over long time scales. In contrast, the migration behavior of malignant and invasive MCF10CA1a cells, which already shows decreased collective dynamics on both time scales, is insensitive to the change in E-cadherin expression.

Role of phospholipase A(2) and tyrosine kinase in Clostridium difficile toxin A-induced disruption of epithelial integrity, histologic inflammatory damage and intestinal secretion

Clostridium difficile-associated disease causes diarrhea to fulminant colitis and death. We investigated the role of phospholipase A(2) (PLA(2)) inhibitors, aristolochic acid (AA), bromophenacyl bromide BPB and quinacrine (QUIN) on the C. difficile toxin A-induced disruption of epithelial integrity, histologic inflammatory damage and intestinal secretion. Toxin A caused severe hemorrhagic and inflammatory fluid secretion at 6-8 h in rabbit ileal segments, an effect that was significantly inhibited by QUIN (71%, P < 0.01), AA (87%, P < 0.0001) or by BPB (51%, P < 0.01). The secretory effect of toxin A was also inhibited in segments adjacent to those with AA (89%, P < 0.01). Furthermore, QUIN or AA substantially reduced the histologic damage seen after 6-8 h in rabbit ileal segments. The cyclooxygenase inhibitor, indomethacin, also significantly inhibited (96%; n = 6) the secretory effects of toxin A in ligated rabbit intestinal segments. The destruction by toxin A of F-actin at the light junctions of T-84 cell monolayers was not inhibited by AA or BPB. AA or QUIN had no effect on the T-84 cell tissue resistance reduction over 8-24 h after toxin A exposure. All the inhibitors were shown to be effective in the doses administered direct in ileal loops to inhibit PLA(2) activity. The data suggest that PLA(2) is involved in the major pathway of toxin A-induced histologic inflammatory damage and hemorrhagic fluid secretion. Cop. right (C) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Guided Migration and Collective Behavior: Cell Dynamics during Cancer Progression

This dissertation focuses on gaining understanding of cell migration and collective behavior through a combination of experiment, analysis, and modeling techniques. Cell migration is a ubiquitous process that plays an important role during embryonic development and wound healing as well as in diseases like cancer, which is a particular focus of this work. As cancer cells become increasingly malignant, they acquire the ability to migrate away from the primary tumor and spread throughout the body to form metastatic tumors. During this process, changes in gene expression and the surrounding tumor environment can lead to changes in cell migration characteristics. In this thesis, I analyze how cells are guided by the texture of their environment and how cells cooperate with their neighbors to move collectively. The emergent properties of collectively moving groups are a particular focus of this work as collective cell dynamics are known to change in diseases such as cancer. The internal machinery for cell migration involves polymerization of the actin cytoskeleton to create protrusions that---in coordination with retraction of the rear of the cell---lead to cell motion. This actin machinery has been previously shown to respond to the topography of the surrounding surface, leading to guided migration of amoeboid cells. Here we show that epithelial cells on nanoscale ridge structures also show changes in the morphology of their cytoskeletons; actin is found to align with the ridge structures. The migration of the cells is also guided preferentially along the ridge length. These ridge structures are on length scales similar to those found in tumor microenvironments and as such provide a system for studying the response of the cells' internal migration machinery to physiologically relevant topographical cues. In addition to sensing surface topography, individual cells can also be influenced by the pushing and pulling of neighboring cells. The emergent properties of collectively migrating cells show interesting dynamics and are relevant for cancer progression, but have been less studied than the motion of individual cells. We use Particle Image Velocimetry (PIV) to extract the motion of a collectively migrating cell sheet from time lapse images. The resulting flow fields allow us to analyze collective behavior over multiple length and time scales. To analyze the connection between individual cell properties and collective migration behavior, we compare experimental flow fields with the migration of simulated cell groups. Our collective migration metrics allow for a quantitative comparison between experimental and simulated results. This comparison shows that tissue-scale decreases in collective behavior can result from changes in individual cell activity without the need to postulate the existence of subpopulations of leader cells or global gradients. In addition to tissue-scale trends in collective behavior, the migration of cell groups includes localized dynamic features such as cell rearrangements. An individual cell may smoothly follow the motion of its neighbors (affine motion) or move in a more individualistic manner (non-affine motion). By decomposing individual motion into both affine and non-affine components, we measure cell rearrangements within a collective sheet. Finally, finite-time Lyapunov exponent (FTLE) values capture the stretching of the flow field and reflect its chaotic character. Applying collective migration analysis techniques to experimental data on both malignant and non-malignant human breast epithelial cells reveals differences in collective behavior that are not found from analyzing migration speeds alone. Non-malignant cells show increased cooperative motion on long time scales whereas malignant cells remain uncooperative as time progresses. Combining multiple analysis techniques also shows that these two cell types differ in their response to a perturbation of cell-cell adhesion through the molecule E-cadherin. Non-malignant MCF10A cells use E-cadherin for short time coordination of collective motion, yet even with decreased E-cadherin expression, the cells remain coordinated over long time scales. In contrast, the migration behavior of malignant and invasive MCF10CA1a cells, which already shows decreased collective dynamics on both time scales, is insensitive to the change in E-cadherin expression.

Establishment of a protocol for the cryopreservation of cell sheets of adipose tissue stem cells

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Análise proteômica de células não fagocíticas na fase inicial da infecção por trypanosoma cruzi

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Medicina, Programa de Pós-Graduação em Patologia Molecular, 2015.

Effects of aging, exercise, and disease on force transfer in skeletal muscle

The loss of muscle strength and increased injury rate in aging skeletal muscle has previously been attributed to loss of muscle protein (cross-sectional area) and/or decreased neural activation. However, it is becoming clear that force transfer within and between fibers plays a significant role in this process as well. Force transfer involves a secondary matrix of proteins that align and transmit the force produced by the thick and thin filaments along muscle fibers and out to the extracellular matrix. These specialized networks of cytoskeletal proteins aid in passing force through the muscle and also serve to protect individual fibers from injury. This review discusses the cytoskeleton proteins that have been identified as playing a role in muscle force transmission, both longitudinally and laterally, and where possible highlights how disease, aging, and exercise influence the expression and function of these proteins.

Étude des voies de signalisation activées par la prostaglandine F2α dans les cellules de cancer colorectal

Le cancer colorectal représente la troisième forme de cancer la plus fréquente au Canada. Malgré les récents développements, aucun traitement curatif n’est disponible pour les patients diagnostiqués à un stade avancé de la maladie. Plusieurs évidences supportent un rôle important des prostaglandines dans cette maladie. En effet, une surexpression des récepteurs de type EP et FP est remarquée. Ces derniers ainsi que les molécules de signalisations intracellulaires qu’ils activent représentent donc de nouvelles cibles pour traiter ce cancer. Nous et d’autres groupes avons démontré que les protéines G monomériques sont des petits interrupteurs moléculaires importants dans la signalisation intracellulaire engagée par les récepteurs dans des cellules saines mais qu’un dérèglement de celles-ci est associé au cancer. L’objectif principal de ce projet de recherche vise donc à identifier les voies de signalisations par lesquelles le récepteur FP contribue aux capacités invasives des cellules tumorales d’origine colorectale. Notre hypothèse est que la protéine ARF6, une des 6 isoformes des ARFs, et la protéine RhoA, agissent pour coordonner l’activation des voies de signalisations associées à la migration et l’invasion cellulaire. Nos résultats ont indiqué que la stimulation des cellules HEK293 exprimant de façon stable le récepteur FP (HA-FP) ainsi que les cellules SW480, une lignée invasive de cancer colorectal, par le PGF2α augmentait les niveaux d’activation d’ARF6 mais également de la protéine RhoA. De plus, d’autres médiateurs et intermédiaires associés à la réorganisation du cytosquelette comme la cofiline et la chaine légère de la myosine (MLC) ont été hautement phosphorylés suite à la stimulation par la prostaglandine. Ces observations sont associées avec une augmentation des fibres de stress dans les cellules. Nous avons tenté de déterminer si l’inhibition de ces protéines G affectait la capacité du PGF2α à activer ces intermédiaires de signalisation ainsi que certains effets biologiques. Ainsi, nos expériences contribueront à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement du cancer colorectal.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

Gene expression profile suggests that pigs (Sus scrofa) are susceptible to Anaplasma phagocytophilum but control infection

BACKGROUND Anaplasma phagocytophilum infects a wide variety of hosts and causes granulocytic anaplasmosis in humans, horses and dogs and tick-borne fever in ruminants. Infection with A. phagocytophilum results in the modification of host gene expression and immune response. The objective of this research was to characterize gene expression in pigs (Sus scrofa) naturally and experimentally infected with A. phagocytophilum trying to identify mechanisms that help to explain low infection prevalence in this species. RESULTS For gene expression analysis in naturally infected pigs, microarray hybridization was used. The expression of differentially expressed immune response genes was analyzed by real-time RT-PCR in naturally and experimentally infected pigs. Results suggested that A. phagocytophilum infection affected cytoskeleton rearrangement and increased both innate and adaptive immune responses by up regulation of interleukin 1 receptor accessory protein-like 1 (IL1RAPL1), T-cell receptor alpha chain (TCR-alpha), thrombospondin 4 (TSP-4) and Gap junction protein alpha 1 (GJA1) genes. Higher serum levels of IL-1 beta, IL-8 and TNF-alpha in infected pigs when compared to controls supported data obtained at the mRNA level. CONCLUSIONS These results suggested that pigs are susceptible to A. phagocytophilum but control infection, particularly through activation of innate immune responses, phagocytosis and autophagy. This fact may account for the low infection prevalence detected in pigs in some regions and thus their low or no impact as a reservoir host for this pathogen. These results advanced our understanding of the molecular mechanisms at the host-pathogen interface and suggested a role for newly reported genes in the protection of pigs against A. phagocytophilum.

Étude des voies de signalisation activées par la prostaglandine F2α dans les cellules de cancer colorectal

Le cancer colorectal représente la troisième forme de cancer la plus fréquente au Canada. Malgré les récents développements, aucun traitement curatif n’est disponible pour les patients diagnostiqués à un stade avancé de la maladie. Plusieurs évidences supportent un rôle important des prostaglandines dans cette maladie. En effet, une surexpression des récepteurs de type EP et FP est remarquée. Ces derniers ainsi que les molécules de signalisations intracellulaires qu’ils activent représentent donc de nouvelles cibles pour traiter ce cancer. Nous et d’autres groupes avons démontré que les protéines G monomériques sont des petits interrupteurs moléculaires importants dans la signalisation intracellulaire engagée par les récepteurs dans des cellules saines mais qu’un dérèglement de celles-ci est associé au cancer. L’objectif principal de ce projet de recherche vise donc à identifier les voies de signalisations par lesquelles le récepteur FP contribue aux capacités invasives des cellules tumorales d’origine colorectale. Notre hypothèse est que la protéine ARF6, une des 6 isoformes des ARFs, et la protéine RhoA, agissent pour coordonner l’activation des voies de signalisations associées à la migration et l’invasion cellulaire. Nos résultats ont indiqué que la stimulation des cellules HEK293 exprimant de façon stable le récepteur FP (HA-FP) ainsi que les cellules SW480, une lignée invasive de cancer colorectal, par le PGF2α augmentait les niveaux d’activation d’ARF6 mais également de la protéine RhoA. De plus, d’autres médiateurs et intermédiaires associés à la réorganisation du cytosquelette comme la cofiline et la chaine légère de la myosine (MLC) ont été hautement phosphorylés suite à la stimulation par la prostaglandine. Ces observations sont associées avec une augmentation des fibres de stress dans les cellules. Nous avons tenté de déterminer si l’inhibition de ces protéines G affectait la capacité du PGF2α à activer ces intermédiaires de signalisation ainsi que certains effets biologiques. Ainsi, nos expériences contribueront à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement du cancer colorectal.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

The actinin family of actin crosslinking proteins: natural functions and potential applications in synthetic biology

Actinin and spectrin proteins are members of the Spectrin Family of Actin Crosslinking Proteins. The importance of these proteins in the cytoskeleton is demonstrated by the fact that they are common targets for disease causing mutations. In their most prominent roles, actinin and spectrin are responsible for stabilising and maintaining the muscle architecture during contraction, and providing shape and elasticity to the red blood cell in circulation, respectively. To carry out such roles, actinin and spectrin must possess important mechanical and physical properties. These attributes are desirable when choosing a building block for protein-based nanoconstruction. In this study, I assess the contribution of several disease-associated mutations in the actinin-1 actin binding domain that have recently been linked to a rare platelet disorder, congenital macrothrombocytopenia. I investigate the suitability of both actinin and spectrin proteins as potential building blocks for nanoscale structures, and I evaluate a fusion-based assembly strategy to bring about self-assembly of protein nanostructures. I report that the actinin-1 mutant proteins display increased actin binding compared to WT actinin-1 proteins. I find that both actinin and spectrin proteins exhibit enormous potential as nano-building blocks in terms of their stability and ability to self-assemble, and I successfully design and create homodimeric and heterodimeric bivalent building blocks using the fusion-based assembly strategy. Overall, this study has gathered helpful information that will contribute to furthering the advancement of actinin and spectrin knowledge in terms of their natural functions, and potential unnatural functions in protein nanotechnology.