SDF 1-alpha (CXCL12) triggers glutamate exocytosis from astrocytes on a millisecond time scale: Imaging analysis at the single-vesicle level with TIRF microscopy

Chemokines are small chemotactic molecules widely expressed throughout the central nervous system. A number of papers, during the past few years, have suggested that they have physiological functions in addition to their roles in neuroinflammatory diseases. In this context, the best evidence concerns the CXC-chemokine stromal cell-derived factor (SDF-1alpha or CXCL12) and its receptor CXCR4, whose signalling cascade is also implicated in the glutamate release process from astrocytes. Recently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs) that express vesicular glutamate transporters (VGLUTs) and are able to release glutamate by Ca(2+)-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Here, in order to elucidate whether SDF-1alpha/CXCR4 system can participate to the brain fast communication systems, we investigated whether the activation of CXCR4 receptor triggers glutamate exocytosis in astrocytes. By using total internal reflection (TIRF) microscopy and the membrane-fluorescent styryl dye FM4-64, we adapted an imaging methodology recently developed to measure exocytosis and recycling in synaptic terminals, and monitored the CXCR4-mediated exocytosis of SLMVs in astrocytes. We analyzed the co-localization of VGLUT with the FM dye at single-vesicle level, and observed the kinetics of the FM dye release during single fusion events. We found that the activation of CXCR4 receptors triggered a burst of exocytosis on a millisecond time scale that involved the release of Ca(2+) from internal stores. These results support the idea that astrocytes can respond to external stimuli and communicate with the neighboring cells via fast release of glutamate.

Defining secretion processes in astrocytes

During the last decade, evidence that release of chemical transmitters from astrocytes might modulate neuronal activity (the so-called "gliotransmission") occurs in situ has been extensively provided. Nevertheless, gliotransmission remains a highly debated topic because of the lack of direct morphological and functional evidence. Here we provided new information supporting gliotransmission, by i) deepen knowledge about specific properties of regulated secretion of glutamatergic SLMVs, and ii) investigating the involvement of astrocytes in the transmission of dopamine, a molecule whose interaction with astrocytes is likely to occur, but it's still not proven.¦VGLUT-expressing glutamatergic SLMVs have been previously identified both in situ and in vitro, but description of kinetics of release were still lacking. To elucidate this issue, we took advantage of fluorescent tools (styryl dyes and pHluorin) and adapted experimental paradigms and analysis methods previously developed to study exo-endocytosis and recycling of glutamatergic vesicles at synapses. Parallel use of EPIfluorescence and total internal reflection (TIRF) imaging allowed us to find that exo-endocytosis processes in astrocytes are extremely fast, with kinetics in the order of milliseconds, able to sustain and follow neuronal signalling at synapses. Also, exocytosis of SLMVs is under the control of fast, localized Ca2+ elevations in close proximity of SLMVs and endoplasmatic reticulum (ER) tubules, the intracellular calcium stores. Such complex organization supports the fast stimulus-secretion coupling we described; localized calcium elevations have been recently observed in astrocytes in situ, suggesting that these functional microdomains might be present in the intact tissue. In the second part of the work, we investigated whether astrocytes possess some of the benchmarks of brain dopaminergic cells. It's been known for years that astrocytes are able to metabolize monoamines by the enzymes MAO and COMT, but to date no clear information that glial cells are able to uptake and store monoamines have been provided. Here, we identified a whole apparatus for the storage, degradation and release of monoamines, at the ultrastructural level. Electron microscopy immunohistochemistry allowed us to visualize VMAT2- and dopamine-positive intracellular compartments within astrocytic processes, i.e. dense -core granules and cisterns. These organelles might be responsible for dopamine release and storage, respectively; interestingly, this intracellular distribution is reminiscent of VMAT2 expression in dendrites if neurons, where dopamine release is tonic and plays a role in the regulation of its a basal levels, suggesting that astrocytic VMAT2 is involved in the homeostasis of dopamine in healthy brains of adult mammals.¦Durant cette dernière décennie, de nombreux résultats sur le relâchement des transmetteurs par les astrocytes pouvant modulé l'activité synaptique (gliotransmission) ont été fournis. Néanmoins, la gliotransmission reste un processus encore très débattu, notamment à cause de l'absence de preuves directes, morphologique et fonctionnelle démontrant ce phénomène. Nous présentons dans nos travaux de nombreux résultats confortant l'hypothèse de la gliotransmission, dont i) une étude approfondie sur les propriétés spatiales et temporelles de la sécrétion régulée du glutamate dans les astrocytes, et ii) une étude sur la participation des astrocytes dans la transmission de la dopamine, une neuromodulateur dont l'interaction avec les astrocytes est fortement probable, mais qui n'a encore jamais été prouvée. L'expression des petites vésicules (SLMVs - Synaptic Like Micro Vesicles) glutamatergiques exprimant les transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUTs) dans les astrocytes a déjà été prouvé tant in situ qu'in vitro. Afin de mettre en évidence les propriétés précises de la sécrétion de ces organelles, nous avons adapté à nos études des méthodes expérimentales conçues pour observer les processus de exocytose et endocytose dans les neurones. Les résolutions spatiale et temporelle obtenues, grâce a l'utilisation en parallèle de l'épi fluorescence et de la fluorescence a onde évanescente (TIRF), nous ont permis de montrer que la sécrétion régulée dans les astrocytes est un processus extrêmement rapide (de l'ordre de la milliseconde) et qu'elle est capable de soutenir et de suivre la transmission de signaux entre neurones. Nous avons également découvert que cette sécrétion a lieu dans des compartiments subcellulaires particuliers où nous observons la présence du reticulum endoplasmique (ER) ainsi que des augmentations rapides de calcium. Cette organisation spatiale complexe pourrait être la base morphologique du couplage rapide entre le stimulus et la sécrétion. Par ailleurs, plusieurs études récentes in vivo semblent confirmer l'existence de ces compartiments. Depuis des années nous savons que les astrocytes sont capables de métaboliser les monoamines par les enzymes MAO et COMT. Nous avons donc fourni de nouvelles preuves concernant la présence d'un appareil de stockage dans les astrocytes participant à la dégradation et la libération de monoamines au niveau ultrastructurelle. Grâce à la microscopie électronique, nous avons découvert la présence de compartiments intracellulaires exprimant VMAT2 dans les processus astrocytaires, sous forme de granules et des citernes. Ces organelles pourraient donc être responsables à la fois du relâchement et du stockage de la dopamine. De manière surprenante, cette distribution intracellulaire est similaire aux dendrites des neurones exprimant VMAT2, où la dopamine est libérée de façon tonique permettant d'agir sur la régulation de ses niveaux de base. Ces résultats, suggèrent une certaine participation des VMAT2 présents dans les astrocytes dans le processus d'homéostase de la dopamine dans le cerveau.¦A de nombreuses reprises, dans des émissions scientifiques ou dans des films, il est avancé que les hommes n'utilisent que 10% du potentiel de leur cerveau. Cette légende provient probablement du fait que les premiers chercheurs ayant décrit les cellules du cerveau entre le XIXème et le XXeme siècle, ont montré que les neurones, les cellules les plus connues et étudiées de cet organe, ne représentent seulement que 10% de la totalité des cellules composant du cerveau. Parmi les 90% restantes, les astrocytes sont sans doute les plus nombreuses. Jusqu'au début des années 90, les astrocytes ont été plutôt considérés peu plus que du tissu conjonctif, ayant comme rôles principaux de maintenir certaines propriétés physiques du cerveau et de fournir un support métabolique (énergie, environnement propre) aux neurones. Grace à la découverte que les astrocytes ont la capacité de relâcher des substances neuro-actives, notamment le glutamate, le rôle des astrocytes dans le fonctionnement cérébral a été récemment reconsidérée.¦Le rôle du glutamate provenant des astrocytes et son impact sur la fonctionnalité des neurones n'a pas encore été totalement élucidé, malgré les nombreuses publications démontrant l'importance de ce phénomène en relation avec différentes fonctions cérébrales. Afin de mieux comprendre comment les astrocytes sont impliqués dans la transmission cérébrale, nous avons étudié les propriétés spatio-temporelles de cette libération grâce à l'utilisation des plusieurs marqueurs fluorescents combinée avec différentes techniques d'imagerie cellulaires. Nous avons découvert que la libération du glutamate par les astrocytes (un processus maintenant appelé "gliotransmission") était très rapide et contrôlée par des augmentations locales de calcium. Nous avons relié ces phénomènes à des domaines fonctionnels subcellulaires morphologiquement adaptés pour ce type de transmission. Plus récemment, nous avons concentré nos études sur un autre transmetteur très important dans le fonctionnement du cerveau : la dopamine. Nos résultats morphologiques semblent indiquer que les astrocytes ont la capacité d'interagir avec ce transmetteur, mais d'une manière différente comparée au glutamate, notamment en terme de rapidité de transmission. Ces résultats suggèrent que le astrocytes ont la capacité de modifier leurs caractéristiques et de s'adapter à leur environnement par rapport aux types de transmetteur avec lequel ils doivent interagir.

Astrocyte dense-core vesicle gliosecretion is governed by rest/nrsf

Astrocytes are the brain non-nerve cells competent for the expression of clear and dense-core vesicles (DCVs) and for their regulated exocytosis. This process, called gliosecretion, nearly resembles the neurosecretion occurring in neurons and neurosecretory cells. REST/NRSF is a transcription repressor known to orchestrate nerve-cell differentiation, governing the expression of hundreds of neuron-specific genes through their repression in the non-nerve and their fine modulation in the nerve cells. Our previous studies in neurosecretory rat PC12 cells identified REST as the critical factor for the expression not only of individual genes, but also of the whole neurosecretory process via multiple, direct and indirect mechanisms (D'Alessandro et al., J. Neurochem., 2008; Klajn et al., J. Neurosci., 2009). Therefore we wondered whether gliosecretion was governed by REST. We investigated rat astrocyte primary cultures: they exhibited high REST, which directly represses the transcription of at least one target gene, and expressed neither DCVs nor their markers (granins, peptides, membrane proteins). Transfection of a dominant-negative construct of REST (REST/ DBD-GFP) induced the appearance of DCVs filled with secretogranin2 and NPY that are distinct from other intracellular organelles. TIRF analysis of astrocytes co-transfected with REST/DBD-GFP and NPY-mRFP constructs revealed NPY-mRFP-positive DCVs undergoing Ca2þ-dependent exocytosis, largely prevented by BoNT/B. Immunohistochemistry of the I-II layers of the human temporal brain cortex showed all neurons and microglia exhibiting the expected inappreciable and high levels of REST, respectively. In contrast astrocyte RESTwas variable, going from inappreciable to high, accompanied by variable expression of DCVs. In this work it has been demonstrated that astrocyte DCV expression and gliosecretion are governed by REST (Prada et al., 2011 in press). The variable in situ REST levels may contribute to the well known structural/functional heterogeneity of astrocytes and this new observation might be of great interest for the understanding of both astrocyte physiology and pathology.

Analysis of synaptic-like microvesicle exocytosis of B-cells using a live imaging technique.

Pancreatic β-cells play central roles in blood glucose homeostasis. Beside insulin, these cells release neurotransmitters and other signaling molecules stored in synaptic-like microvesicles (SLMVs). We monitored SLMV exocytosis by transfecting a synaptophysin-pHluorin construct and by visualizing the cells by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy. SLMV fusion was elicited by 20 mM glucose and by depolarizing K(+) concentrations with kinetics comparable to insulin secretion. SLMV exocytosis was prevented by Tetanus and Botulinum-C neurotoxins indicating that the fusion machinery of these organelles includes VAMP-2/-3 and Syntaxin-1, respectively. Sequential visualization of SLMVs by TIRF and epifluorescence microscopy showed that after fusion the vesicle components are rapidly internalized and the organelles re-acidified. Analysis of single fusion episodes revealed the existence of two categories of events. While under basal conditions transient fusion events prevailed, long-lasting episodes were more frequent upon secretagogue exposure. Our observations unveiled similarities between the mechanism of exocytosis of insulin granules and SLMVs. Thus, diabetic conditions characterized by defective insulin secretion are most probably associated also with inappropriate release of molecules stored in SLMVs. The assessment of the contribution of SLMV exocytosis to the manifestation of the disease will be facilitated by the use of the imaging approach described in this study.

G-protein coupled receptor-evoked glutamate exocytosis from astrocytes: role of prostaglandins.

Astrocytes are highly secretory cells, participating in rapid brain communication by releasing glutamate. Recent evidences have suggested that this process is largely mediated by Ca(2+)-dependent regulated exocytosis of VGLUT-positive vesicles. Here by taking advantage of VGLUT1-pHluorin and TIRF illumination, we characterized mechanisms of glutamate exocytosis evoked by endogenous transmitters (glutamate and ATP), which are known to stimulate Ca(2+) elevations in astrocytes. At first we characterized the VGLUT1-pHluorin expressing vesicles and found that VGLUT1-positive vesicles were a specific population of small synaptic-like microvesicles containing glutamate but which do not express VGLUT2. Endogenous mediators evoked a burst of exocytosis through activation of G-protein coupled receptors. Subsequent glutamate exocytosis was reduced by about 80% upon pharmacological blockade of the prostaglandin-forming enzyme, cyclooxygenase. On the other hand, receptor stimulation was accompanied by extracellular release of prostaglandin E2 (PGE2). Interestingly, administration of exogenous PGE2 produced per se rapid, store-dependent burst exocytosis of glutamatergic vesicles in astrocytes. Finally, when PGE2-neutralizing antibody was added to cell medium, transmitter-evoked exocytosis was again significantly reduced (by about 50%). Overall these data indicate that cyclooxygenase products are responsible for a major component of glutamate exocytosis in astrocytes and that large part of such component is sustained by autocrine/paracrine action of PGE2.

Molecular mechanisms of insulin exocytosis role of small monomeric GTP-ASES

SUMMARYInsulin secretion from pancreatic beta-cells is a fundamental condition for the maintenance of blood glucose levels. During the last decades, important components of the molecular machinery controlling hormone release have been characterized. My PhD thesis was dedicated to the study of new signaling pathways regulating insulin exocytosis and in particular to the role of small monomelic guanine triphosphatase or GTPases controlling the last events of hormone release.The first part of my thesis focused on Ras-like (Ral) RalA and RalB proteins. We investigated the mechanisms leading to activation of Ral proteins in pancreatic beta-cells and analyzed their impact on different steps of the insulin-secretory process. Our results have shown that RalA is the predominant isoform expressed in pancreatic islets and insulin-secreting cell lines. Silencing of this GTPase in INS-IE cells by RNA interference led to a decrease in secretagogue-induced hormone release. The activation of the GTPase, followed by FRET imaging, is triggered by increases in intracellular Ca and cAMP. Defective insulin release in cells lacking RalA is associated with a decrease in the secretory granules docked at the plasma membrane, detected by TIRF microscopy and with strong impairment in PLD1 activation in response to secretagogues. RalA was found to be activated by the exchange factor RalGDS, which regulates hormone secretion induced by secretagogues and the docking step of insulin-containing granules at the plasma membrane. In the second part of this work we have shown that a member of the Rab family, Rab37, is present on insulin-containing secretory granules of pancreatic beta-cells. In addition, our experiments have suggested that Rab37 is required to obtain an optimal insulin secretory response induced by secretogogues and is important for the docking step of insulin-containing granules at the plasma membrane.

Astrocytes contain a vesicular compartment that is competent for regulated exocytosis of glutamate.

Astrocytes establish rapid cell-to-cell communication through the release of chemical transmitters. The underlying mechanisms and functional significance of this release are, however, not well understood. Here we identify an astrocytic vesicular compartment that is competent for glutamate exocytosis. Using postembedding immunogold labeling of the rat hippocampus, we show that vesicular glutamate transporters (VGLUT1/2) and the vesicular SNARE protein, cellubrevin, are both expressed in small vesicular organelles that resemble synaptic vesicles of glutamatergic terminals. Astrocytic vesicles, which are not as densely packed as their neuronal counterparts, can be observed in small groups at sites adjacent to neuronal structures bearing glutamate receptors. Fluorescently tagged VGLUT-containing vesicles were studied dynamically in living astrocytes by total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. After activation of metabotropic glutamate receptors, astrocytic vesicles underwent rapid (milliseconds) Ca(2+)- and SNARE-dependent exocytic fusion that was accompanied by glutamate release. These data document the existence of a Ca(2+)-dependent quantal glutamate release activity in glia that was previously considered to be specific to synapses.

Imaging exocytosis and recycling of synaptic-like microvesicles in astrocytes.

Optical imaging techniques are well suited for following the dynamics of physiological processes in living cells. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy based on evanescent wave illumination (EWi) allows spectacular, real-time visualization of individual vesicle movements, fusions, and retrievals at the cell surface (i.e., within 100 nm of the plasma membrane). TIRF microscopy is an ideal approach for studying the properties of exocytosis and recycling in cultured astrocytes, particularly because these cells have a rather flat surface and contain secretory vesicles with sparse distribution. Among all populations of secretory vesicles, we focus here on synaptic-like microvesicles (SLMVs). We illustrate how TIRF microscopy using EWi is useful to study exocytosis and recycling of SLMVs at the single-vesicle level and, when combined with epifluorescence illumination (EPIi), can provide detailed information on the kinetics of exocytosis, endocytosis, and re-acidification at the whole-cell level.

Calcium Microdomains Control Exo-Endocytosis of Synaptic-Like Microvesicles in Astrocytes

During the last decade, the discovery that astrocytes possess a nonelectrical form of excitability (Ca21-excitability) that leads to the release of chemical transmitters, an activity called ''gliotransmission'', indicates that these cells may have additional important roles in brain function. Elucidating the stimulus-secretion coupling leading to the exocytic release of chemical transmitters (such as glutamate, Bezzi et al., Nature Neurosci, 2004) may therefore clarify i) whether astrocytes represent in full a new class of secretory cells in the brain and ii) whether they can participate to the fast brain signaling in the brain. Here by using a recently developed approach for studying vesicle recycling dynamics at synapses (Voglmaier et al., Neuron, 2006; Balaji and Ryan, PNAS, 2007) combined with epifluorescence and total internal reflection fluorescence (TIRF) imaging, we investigated the spatiotemporal characteristics of stimulus-secretion coupling leading glutamate exocytosis of synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes. We performed the analysis at both the whole-cell and single-vesicle levels providing the first system for comparing exo-endocytic processes in astrocytes with those in neurons. Both the time course and modalities of secretion in astrocytes present more similarities to neurons then previously expected. We found that 1. the G-protein-coupled receptor (GPCR)-evoked exocytosis reached the maximum on a ms time scale and that 2. ER tubuli formed sub-micrometer domains beneath the plasma membrane in close proximity to exocytic vesicles, where fusion events were spatiotemporally correlated with fast Ca21 events.

Role of homer 1 proteins in the calcium signaling pathway(s) underlying exo-endocytosis processes of glutamatergic slmvs in astrocytes

The discovery that astrocytes possess a nonelectrical form of excitability (calcium excitability) that leads to the release of chemical transmitters, an activity called gliotransmission, indicates that these cells may have additional important roles in brain function. Elucidating the stimulussecretion coupling leading to the exocytic release of chemical transmitters (such as glutamate, Bezzi et al., Nature Neurosci, 2004) may therefore clarify i) whether astrocytes represent in full a new class of secretory cells in the brain and ii) whether they can participate to the fast brain signaling in the brain. We have recently discovered the existence in astrocytes of functional sub-membrane microdomains of calcium release from the internal stores in response to mGluR5 activation (Marchaland et al., J of Neurosci., 2008). Such sub-plasma membrane calcium microdomains control exocytosis of astrocytic glutamate signaling to neurons. Homer proteins are scaffold proteins controlling calcium signaling in different cellular microdomains, including dendritic spines in neurons (Sala et al., J of Neurosci., 2005). Thus, similarly to dendritic pines, Homer1 could be implicated in the coupling between astrocytic mGluR5 and IP3Rs on the ER. Here, by using a recently developed approach for studying vesicle recycling dynamics at synapses (Voglmaier et al., Neuron, 2006; Balaji and Ryan, PNAS, 2007) combined with epifluorescence and total internal reflection fluorescence (TIRF) imaging, we investigated the involvement of Homer1 proteins in the calcium dependent stimulus-secretion coupling leading glutamate exocytosis of synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes.

Functional Microdomains Control Glutamate Exocytosis from Astrocytes

The discovery that astrocytes possess a non-electrical form of excitability (Ca21-excitability) that leads to the release of chemical transmitters, an activity called ''gliotransmission'', indicates that these cells may have additional important roles in brain function. Elucidating the stimulus-secretion coupling leading to the exocytic release of chemical transmitters (such as glutamate, Bezzi et al., Nature Neurosci, 2004) may therefore clarify i) whether astrocytes represent in full a new class of secretory cells in the brain and ii) whether they can participate to the fast brain signaling in the brain. We have recently discovered the existence in astrocytes of functional sub-membrane microdomains of Ca21 release from the internal stores in response to mGluR5 activation (Marchaland et al., J of Neurosci., 2008). Such Ca21 microdomains control exocytosis of astrocytic glutamate signalling to neurons. Homer proteins are scaffold proteins controlling Ca21 signalling in different cellular microdomains, including dendritic spines in neurons (Sala et al., J of Neurosci., 2005). Thus, similarly to dendritic pines, Homer1 could be implicated in the coupling between astrocytic mGluR5 and IP3Rs on the ER. Here, by using a recently developed approach for studying vesicle recycling dynamics at synapses (Voglmaier et al., Neuron, 2006; Balaji and Ryan, PNAS, 2007) combined with epifluorescence and total internal reflection fluorescence (TIRF) imaging, we have investigated the involvement of Homer1 proteins in the Ca21-dependent stimulus-secretion coupling leading glutamate exocytosis of synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes.

Reggie-1/Flotillin-2 regulates integrin trafficking and focal adhesion turnover via Rab11a.

Reggies/flotillins are implicated in trafficking of membrane proteins to their target sites and in the regulation of the Rab11a-dependent targeted recycling of E-cadherin to adherens junctions (AJs). Here we demonstrate a function of reggies in focal adhesion (FA) formation and α5- and β1-integrin recycling to FAs. Downregulation of reggie-1 in HeLa and A431 cells by siRNA and shRNA increased the number of FAs, impaired their distribution and modified FA turnover. This was coupled to enhanced focal adhesion kinase (FAK) and Rac1 signaling and gain in plasma membrane motility. Wild type and constitutively-active (CA) Rab11a rescued the phenotype (normal number of FAs) whereas dominant-negative (DN) Rab11a mimicked the loss-of-reggie phenotype in control cells. That reggie-1 affects integrin trafficking emerged from the faster loss of internalized antibody-labeled β1-integrin in reggie-deficient cells. Moreover, live imaging using TIRF microscopy revealed vesicles containing reggie-1 and α5- or β1-integrin, trafficking close to the substrate-near membrane and making kiss-and-run contacts with FAs. Thus, reggie-1 in interaction with Rab11a controls Rac1 and FAK activation and coordinates the targeted recycling of α5- and β1-integrins to FAs to regulate FA formation and membrane dynamics.

Characterizing cortical myosin mini-filament regulation, length and its macroscopic implications in cytokinetic dynamics.

Au cours de la cytokinèse, le génome dédoublé est compartimentalisé en deux cellules filles. L’anneau contractile, une structure dynamique, est constitué d’actine, myosine (NMY-II) et d’autres protéines accessoires. NMY-2 est le seul moteur protéique impliqué dans la contraction de l’anneau durant la cytokinèse. Depuis longtemps, il a été considéré que celle-ci glissait le long des filaments d’actine grâce à sa capacité de traction. Récemment, plusieurs études ont découvert que son activité réticulante joue un rôle en cytokinèse et il est connu que la NMY-2 peut s’assembler en filaments bipolaires à partir de dimères. Ainsi, nous postulons que leur dimension (nombre de moteurs ATPasiques) pourrait dicter leur contribution en activité motrice et réticulante. Afin de déterminer la composition des filaments corticaux de NMY-2, nous avons utilisé une technique d'imagerie de molécules individuelles à l’aide de la microscopie TIRF. J’ai trouvé à travers l’analyse statistique de la distribution des NMY-2 mesurés que les filaments sont assemblés à deux dimensions constantes: Des filaments composés de 20 dimères et 30 dimères. La kinase Rho est une activatrice de NMY-2 nécessaire pour les niveaux physiologiques de NMY-2 sur l’anneau contractile, pour des cinétiques et fermeture concentrique de l’anneau. La déplétion de RhoK augmente l’abondance relative des filaments de 20 dimères. Ainsi, RhoK pourrait réguler le recrutement de la NMY et aussi l’assemblage des filaments corticaux de NMY-2. De plus, à l’aide de la microscopie confocale à temps réel, j’ai trouvé que lors de la déplétion de RhoK, il se produit une réduction du recrutement et du délai d’initiation du sillon, une fermeture lente et une augmentation significative de la concentricité de l’anneau. De plus, j’ai mesuré des défauts dans l’organisation corticale de l’anneau contractile en patch. La déplétion de MRCK-1 n’affecte pas l’initiation du sillon, les cinétiques de fermeture, ou la fermeture concentrique de l’anneau. Paradoxalement, la déplétion de MRCK-1 augmente le recrutement cortical de NMY-2, mais quand depleté simultanément avec Rho-K il diminue NMY-2 à l’équateur comparé à la déplétion seule de Rho-K. De plus, la double déplétion, conduit à un phénotype de concentricité de l’anneau, suivie d’un recentrage.

Investigation of the structure and dynamics of the centromeric epigenetic mark

Le centromère est le site chromosomal où le kinetochore se forme, afin d’assurer une ségrégation fidèles des chromosomes et ainsi maintenir la ploïdie appropriée lors de la mitose. L’identité du centromere est héritée par un mécanisme épigénétique impliquant une variante de l’histone H3 nommée centromere protein-A (CENP-A), qui remplace l’histone H3 au niveau de la chromatine du centromère. Des erreurs de propagation de la chromatine du centromère peuvent mener à des problèmes de ségrégation des chromosomes, pouvant entraîner l’aneuploïdie, un phénomène fréquemment observé dans le cancer. De plus, une expression non-régulée de CENP-A a aussi été rapportée dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, plusieurs études ont cherchées à élucider la structure et le rôle de la chromatine contenant CENP-A dans des cellules en prolifération. Toutefois, la nature moléculaire de CENP-A en tant que marqueur épigénétique ainsi que ces dynamiques à l'extérieur du cycle cellulaire demeurent des sujets débat. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de comptage de molécules uniques à l'aide de la microscopie à réflexion totale interne de la fluorescence (TIRF) sera décrite, puis exploitée afin d'élucider la composition moléculaire des nucléosomes contenant CENP-A, extraits de cellules en prolifération. Nous démontrons que les nucléosomes contenant CENP-A marquent les centromères humains de façon épigénétique à travers le cycle cellulaire. De plus, nos données démontrent que la forme prénucléosomale de CENP-A, en association avec la protéine chaperon HJURP existe sous forme de monomère et de dimère, ce qui reflète une étape intermédiaire de l'assemblage de nucléosomes contenant CENP-A. Ensuite, des analyses quantitatives de centromères lors de différenciation myogénique, et dans différents tissus adultes révèlent des changements globaux qui maintiennent la marque épigénétique dans une forme inactive suite à la différentiation terminale. Ces changements incluent une réduction du nombre de points focaux de CENP-A, un réarrangement des points dans le noyau, ainsi qu'une réduction importante de la quantité de CENP-A. De plus, nous démontrons que lorsqu'une dédifférenciation cellulaire est induite puis le cycle cellulaire ré-entamé, le phénotype "différencié" décrit ci-haut est récupéré, et les centromères reprennent leur phénotype "prolifératif". En somme, cet oeuvre décrit la composition structurale sous-jacente à l'identité épigénétique des centromères de cellules humaines lors du cycle cellulaire, et met en lumière le rôle de CENP-A à l'extérieur du cycle cellulaire.

Interpretation of the centromere epigenetic mark to maintain genome stability

Le centromère est la région chromosomique où le kinétochore s'assemble en mitose. Contrairement à certaines caractéristiques géniques, la séquence centromérique n'est ni conservée entre les espèces ni suffisante à la fonction centromérique. Il est donc bien accepté dans la littérature que le centromère est régulé épigénétiquement par une variante de l'histone H3, CENP-A. KNL-2, aussi connu sous le nom de M18BP1, ainsi que ces partenaires Mis18α et Mis18β sont des protéines essentielles pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères. Des évidences expérimentales démontrent que KNL-2, ayant un domaine de liaison à l'ADN nommé Myb, est la protéine la plus en amont pour l'incorporation de CENP-A aux centromères en phase G1. Par contre, sa fonction dans le processus d'incorporation de CENP-A aux centromères n'est pas bien comprise et ces partenaires de liaison ne sont pas tous connus. De nouveaux partenaires de liaison de KNL-2 ont été identifiés par des expériences d'immunoprécipitation suivies d'une analyse en spectrométrie de masse. Un rôle dans l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères a été attribué à MgcRacGAP, une des 60 protéines identifiées par l'essai. MgcRacGAP ainsi que les protéines ECT-2 (GEF) et la petite GTPase Cdc42 ont été démontrées comme étant requises pour la stabilité de CENP-A incorporé aux centromères. Ces différentes observations ont mené à l'identification d'une troisième étape au niveau moléculaire pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé en phase G1, celle de la stabilité de CENP-A nouvellement incorporé aux centromères. Cette étape est importante pour le maintien de l'identité centromérique à chaque division cellulaire. Pour caractériser la fonction de KNL-2 lors de l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères, une technique de microscopie à haute résolution couplée à une quantification d'image a été utilisée. Les résultats générés démontrent que le recrutement de KNL-2 au centromère est rapide, environ 5 minutes après la sortie de la mitose. De plus, la structure du domaine Myb de KNL-2 provenant du nématode C. elegans a été résolue par RMN et celle-ci démontre un motif hélice-tour-hélice, une structure connue pour les domaines de liaison à l'ADN de la famille Myb. De plus, les domaines humain (HsMyb) et C. elegans (CeMyb) Myb lient l'ADN in vitro, mais aucune séquence n'est reconnue spécifiquement par ces domaines. Cependant, il a été possible de démontrer que ces deux domaines lient préférentiellement la chromatine CENP-A-YFP comparativement à la chromatine H2B-GFP par un essai modifié de SIMPull sous le microscope TIRF. Donc, le domaine Myb de KNL-2 est suffisant pour reconnaître de façon spécifique la chromatine centromérique. Finalement, l'élément reconnu par les domaines Myb in vitro a potentiellement été identifié. En effet, il a été démontré que les domaines HsMyb et CeMyb lient l'ADN simple brin in vitro. De plus, les domaines HsMyb et CeMyb ne colocalisent pas avec CENP-A lorsqu'exprimés dans les cellules HeLa, mais plutôt avec les corps nucléaires PML, des structures nucléaires composées d'ARN. Donc, en liant potentiellement les transcrits centromériques, les domaines Myb de KNL-2 pourraient spécifier l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé uniquement aux régions centromériques.