Analysis of Centrosome duplication in "Caenorhabditis elegans" : the role of "sas" genes

Abstract: The centrosome is the major microtubule organizing center (MTOC) of most animal cells. As such, it is essential for a number of processes, including polarized secretion or bipolar spindle assembly. Hence, centrosome number needs to be controlled precisely in coordination with DNA replication. Cells early in the cell cycle contain one centrosome that duplicates during S-phase to give rise to two centrosomes that organize a bipolar spindle during mitosis. A failure in this process is likely to engage the spindle assembly checkpoint and threaten genome stability. Despite its importance for normal and uncontrolled proliferation the mechanisms underlying centrosome duplication are still unclear. The Caenorhabditis elegans embryo is well suited to study the mechanisms of centrosome duplication. It allows for the analysis of cellular processes with high temporal and spatial resolution. Gene identification and inactivation techniques are very powerful and a wide set of mutant and transgenic strains facilitates analysis. My thesis project consisted of characterizing three sas-genes: sas-4, sas-5 and sas-¬6. Embryos lacking these genes fail to form a bipolar spindle, hence their name (spindle assembly). I established that sas-4(RNAi) and sas-6(RNAi) embryos do not form daughter centrioles and thus do not duplicate their centrosomes. Furthermore, I showed that both proteins localize to the cytoplasm and are strikingly enriched at centrioles throughout the cell cycle. By performing fluorescent recovery after photobleaching (FRAP) experiments and differentially labeling centrioles, I established that both proteins are recruited to centrioles once per cell cycle when daughter centrioles form. In contrast, SAS-5, PLK-1 and SPD-2 shuttle permanently between the cytoplasm and centrioles. By showing that SAS-5 and SAS-6 interact in vivo, I established a functional relationship between the proteins. Testing the putative human homologue of SAS-6 (HsSAS-6) and a distant relative of SAS-4 (CPAP), I was able to show that these proteins are required for centrosome duplication in human cells. In addition I found that overexpression of GFP¬HsSAS-6 leads to formation of extra centrosomes. In conclusion, we identified and gained important insights into proteins required for centrosome duplication in C. elegans and in human cells. Thus, our work contributes to further elucidate an important step of cell division in normal and malignant tissues. Eventually, this may allow for the development of novel diagnostic or therapeutic reagents to treat cancer patients. Résumé: Le centrosome est le principal centre organisateur des microtubules dans les cellules animales. De ce fait, il est essentiel pour un certain nombre de processus, comme l'adressage polarisé ou la mise en place d'un fuseau bipolaire. Le nombre de centrosome doit être contrôlé de façon précise et en coordination avec la réplication de l'ADN. Au début du cycle cellulaire, les cellules n'ont qu'un seul centrosome qui se duplique au cours de la phase S pour donner naissance à deux centrosomes qui forment le fuseau bipolaire pendant la mitose. Des défauts dans ce processus déclencheront probablement le "checkpoint" d'assemblage du fuseau et menaceront la stabilité du génome. Malgré leurs importances pour la prolifération normale ou incontrôlée des cellules, les mécanismes gouvernant la duplication des centrosomes restent obscures. L'embryon de Caenorhabditis elegans est bien adapté pour étudier les mécanismes de duplication des centrosomes. Il permet l'analyse des processus cellulaires avec une haute résolution spatiale et temporelle. L'identification des gènes et les techniques d'inactivation sont très puissantes et de larges collections de mutants et de lignées transgéniques facilitent les analyses. Mon projet de thèse a consisté à caractérisé trois gènes: sas-4, sas-5 et sas-6. Les embryons ne possédant pas ces gènes ne forment pas de fuseaux bipolaires, d'où leur nom (spindle assembly). J'ai établi que les embryons sas-4(RNAi) et sas-6(RNAi) ne forment pas de centrioles fils, et donc ne dupliquent pas leur centrosome. De plus, j'ai montré que les deux protéines sont localisées dans le cytoplasme et sont étonnamment enrichies aux centrioles tout le long du cycle cellulaire. En réalisant des expériences de FRAP (fluorscence recovery after photobleaching) et en marquant différentiellement les centrioles, j'ai établi que ces deux protéines sont recrutées une fois par cycle cellulaire aux centrioles, au moment de la duplication. Au contraire, SAS-5, PLK-1 et SPD-2 oscillent en permanence entre le cytoplasme et les centrioles. En montrant que SAS-5 et SAS-6 interagissent in vivo, j'ai établi une relation fonctionnelle entre les deux protéines. En testant les homologues humains putatifs de SAS-6 (HsSAS-6) et de SAS-4 (CPAP), j'ai été capable de montrer que ces protéines étaient aussi requises pour la duplication des centrosomes dans les cellules humaines. De plus, j'ai montré que la surexpression de GFP-HsSAS-6 entrainait la formation de centrosomes surnuméraires. En conclusion, nous avons identifié et progressé dans la compréhension de protéines requises pour la duplication des centrosomes chez C. elegans et dans les cellules humaines. Ainsi, notre travail contribue à mieux élucider une étape importante du la division cellulaire dans les cellules normales et malignes. A terme, ceci devrait aider au développement de nouveaux diagnostics ou de traitements thérapeuthiques pour soigner les malades du cancer.

The Ca(V)3.3 calcium channel is the major sleep spindle pacemaker in thalamus.

Low-threshold (T-type) Ca(2+) channels encoded by the Ca(V)3 genes endow neurons with oscillatory properties that underlie slow waves characteristic of the non-rapid eye movement (NREM) sleep EEG. Three Ca(V)3 channel subtypes are expressed in the thalamocortical (TC) system, but their respective roles for the sleep EEG are unclear. Ca(V)3.3 protein is expressed abundantly in the nucleus reticularis thalami (nRt), an essential oscillatory burst generator. We report the characterization of a transgenic Ca(V)3.3(-/-) mouse line and demonstrate that Ca(V)3.3 channels are indispensable for nRt function and for sleep spindles, a hallmark of natural sleep. The absence of Ca(V)3.3 channels prevented oscillatory bursting in the low-frequency (4-10 Hz) range in nRt cells but spared tonic discharge. In contrast, adjacent TC neurons expressing Ca(V)3.1 channels retained low-threshold bursts. Nevertheless, the generation of synchronized thalamic network oscillations underlying sleep-spindle waves was weakened markedly because of the reduced inhibition of TC neurons via nRt cells. T currents in Ca(V)3.3(-/-) mice were <30% compared with those in WT mice, and the remaining current, carried by Ca(V)3.2 channels, generated dendritic [Ca(2+)](i) signals insufficient to provoke oscillatory bursting that arises from interplay with Ca(2+)-dependent small conductance-type 2 K(+) channels. Finally, naturally sleeping Ca(V)3.3(-/-) mice showed a selective reduction in the power density of the σ frequency band (10-12 Hz) at transitions from NREM to REM sleep, with other EEG waves remaining unaltered. Together, these data identify a central role for Ca(V)3.3 channels in the rhythmogenic properties of the sleep-spindle generator and provide a molecular target to elucidate the roles of sleep spindles for brain function and development.

A 2D/3D image analysis system to track fluorescently labeled structures in rod-shaped cells: application to measure spindle pole asymmetry during mitosis.

BACKGROUND: The yeast Schizosaccharomyces pombe is frequently used as a model for studying the cell cycle. The cells are rod-shaped and divide by medial fission. The process of cell division, or cytokinesis, is controlled by a network of signaling proteins called the Septation Initiation Network (SIN); SIN proteins associate with the SPBs during nuclear division (mitosis). Some SIN proteins associate with both SPBs early in mitosis, and then display strongly asymmetric signal intensity at the SPBs in late mitosis, just before cytokinesis. This asymmetry is thought to be important for correct regulation of SIN signaling, and coordination of cytokinesis and mitosis. In order to study the dynamics of organelles or large protein complexes such as the spindle pole body (SPB), which have been labeled with a fluorescent protein tag in living cells, a number of the image analysis problems must be solved; the cell outline must be detected automatically, and the position and signal intensity associated with the structures of interest within the cell must be determined. RESULTS: We present a new 2D and 3D image analysis system that permits versatile and robust analysis of motile, fluorescently labeled structures in rod-shaped cells. We have designed an image analysis system that we have implemented as a user-friendly software package allowing the fast and robust image-analysis of large numbers of rod-shaped cells. We have developed new robust algorithms, which we combined with existing methodologies to facilitate fast and accurate analysis. Our software permits the detection and segmentation of rod-shaped cells in either static or dynamic (i.e. time lapse) multi-channel images. It enables tracking of two structures (for example SPBs) in two different image channels. For 2D or 3D static images, the locations of the structures are identified, and then intensity values are extracted together with several quantitative parameters, such as length, width, cell orientation, background fluorescence and the distance between the structures of interest. Furthermore, two kinds of kymographs of the tracked structures can be established, one representing the migration with respect to their relative position, the other representing their individual trajectories inside the cell. This software package, called "RodCellJ", allowed us to analyze a large number of S. pombe cells to understand the rules that govern SIN protein asymmetry. CONCLUSIONS: "RodCell" is freely available to the community as a package of several ImageJ plugins to simultaneously analyze the behavior of a large number of rod-shaped cells in an extensive manner. The integration of different image-processing techniques in a single package, as well as the development of novel algorithms does not only allow to speed up the analysis with respect to the usage of existing tools, but also accounts for higher accuracy. Its utility was demonstrated on both 2D and 3D static and dynamic images to study the septation initiation network of the yeast Schizosaccharomyces pombe. More generally, it can be used in any kind of biological context where fluorescent-protein labeled structures need to be analyzed in rod-shaped cells. AVAILABILITY: RodCellJ is freely available under http://bigwww.epfl.ch/algorithms.html, (after acceptance of the publication).

FANCM regulates DNA chain elongation and is stabilized by S-phase checkpoint signalling.

FANCM binds and remodels replication fork structures in vitro. We report that in vivo, FANCM controls DNA chain elongation in an ATPase-dependent manner. In the presence of replication inhibitors that do not damage DNA, FANCM counteracts fork movement, possibly by remodelling fork structures. Conversely, through damaged DNA, FANCM promotes replication and recovers stalled forks. Hence, the impact of FANCM on fork progression depends on the underlying hindrance. We further report that signalling through the checkpoint effector kinase Chk1 prevents FANCM from degradation by the proteasome after exposure to DNA damage. FANCM also acts in a feedback loop to stabilize Chk1. We propose that FANCM is a ringmaster in the response to replication stress by physically altering replication fork structures and by providing a tight link to S-phase checkpoint signalling.

Kinesin spindle protein SiRNA slows tumor progression.

The kinesin spindle protein (KSP), a member of the kinesin superfamily of microtubule-based motors, plays a critical role in mitosis as it mediates centrosome separation and bipolar spindle assembly and maintenance. Inhibition of KSP function leads to cell cycle arrest at mitosis with the formation of monoastral microtubule arrays, and ultimately, to cell death. Several KSP inhibitors are currently being studied in clinical trials and provide new opportunities for the development of novel anticancer therapeutics. RNA interference (RNAi) may represent a powerful strategy to interfere with key molecular pathways involved in cancer. In this study, we have established an efficient method for intratumoral delivery of siRNA. We evaluated short interfering RNA (siRNA) duplexes targeting luciferase as surrogate marker or KSP sequence. To examine the potential feasibility of RNAi therapy, the siRNA was transfected into pre-established lesions by means of intratumor electro-transfer of RNA therapeutics (IERT). This technology allowed cell permeation of the nucleic acids and to efficiently knock down gene expression, albeit transiently. The KSP-specific siRNA drastically reduced outgrowth of subcutaneous melanoma and ovarian cancer lesions. Our results show that intratumoral electro-transfer of siRNA is feasible and KSP-specific siRNA may provide a novel strategy for therapeutic intervention. J. Cell. Physiol. 228: 58-64, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Mechanisms of spindle positioning during "Caenorhabditis elgans" asymmetric cell division

Résumé : Le positionnement correct du fuseau mitotique est crucial pour les divisions cellulaires asymétriques, car il gouverne le contrôle spatial de la division cellulaire et assure la ségrégation adéquate des déterminants cellulaires. Malgré leur importance, les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique sont encore mal compris. Chez l'embryon au stade une-cellule du nématode Caenorhabditis elegans, le fuseau mitotique est positionné de manière asymétrique durant l'anaphase grâce à l'action de générateurs de force situés au cortex cellulaire, et dont la nature était jusqu'alors indéterminée. Ces générateurs de force corticaux exercent une traction sur les microtubules astraux et sont dépendants de deux protéines Gα et de leurs protéines associées. Cette thèse traite de la nature de la machinerie responsable pour la génération des forces de tractions, ainsi que de son lien avec les protéines Gα et associées. Nous avons combiné des expériences de coupure par faisceau laser du fuseau mitotique avec le contrôle temporel de l'inactivation de gènes ou de l'exposition à des produits pharmacologiques. De cette manière, nous avons établi que la dynéine, un moteur se déplaçant vers l'extrémité négative des microtubules, ainsi que la dynamique des microtubules, sont toutes deux requises pour la génération efficace des forces de tractions. Nous avons démontré que les protéines Gα et leurs protéines associées GPR-1/2 et LIN-5 interagissent in vivo avec LIS-1, un composant du complexe de la dynéine. De plus, nous avons découvert que les protéines Gα, GPR-1/2 et LIN-5 promeuvent la présence du complexe de la dynéine au cortex cellulaire. Nos résultats suggèrent un mécanisme par lequel les protéines Gα permettent le recrutement cortical de GPR-1/2 et LIN-5, assurant ainsi la présence de la dynéine au cortex. Conjointement avec la dynamique des microtubules, ce mécanisme permet la génération des forces de tractions afin d'obtenir une division cellulaire correcte. Comme les mécanismes contrôlant le positionnement du fuseau mitotique et les divisions cellulaires asymétriques sont conservés au cours de l'évolution, nous espérons que les mécanismes élucidés par ce travail sont d'importance générale pour la génération de la diversité cellulaire durant le développement. De plus, ces mécanismes pourraient être applicables à d'autres divisions asymétriques, comme celle des cellules souches, dont le disfonctionnement peut entraîner la génération de cellules cancéreuses. Abstract : Proper spindle positioning is crucial for asymmetric cell division, because it controls spatial aspects of cell division and the correct inheritance of cell-fate determinants. However, the mechanisms governing spindle positioning remain incompletely understood. In the Caenorhabditis elegans one-cell stage embryo, the spindle becomes asymmetrically positioned during anaphase through the action of as-yet unidentified cortical force generators that pull on astral microtubules and that depend on two Gα proteins and associated proteins. This thesis addresses the nature of the force generation machinery and the link with the Gα and associated proteins. By performing spindle-severing experiments following temporally restricted gene inactivation and drug exposure, we established that microtubule dynamics and the minus-end directed motor dynein are both required for generating efficient pulling forces. We discovered that the Gα proteins and their associated proteins GPR-1/2 and LIN-5 interact in vivo with LIS-1, a component of the dynein complex. Moreover, we uncovered that LIN-5, GPR-1/2 and the Gα proteins promote the presence of the dynein complex at the cell cortex. Our findings suggest a mechanism by which the Gα proteins enable GPR-1/2 and LIN-5 recruitment to the cortex, thus ensuring the presence of cortical dynein. Together with microtubule dynamics, this allows pulling forces to be exerted and proper cell division to be achieved. Because the mechanisms of spindle positioning and asymmetric cell division are conserved across evolution, we expect the underlying mechanism uncovered here to be of broad significance for the generation of cell diversity during development. Moreover, this mechanism could be relevant for other asymmetric cell divisions, such as stem cell divisions, whose dysfunction may lead to the generation of cancer cells.

Ly49D-mediated ITAM signaling in immature thymocytes impairs development by bypassing the pre-TCR checkpoint.

Activating and inhibitory NK receptors regulate the development and effector functions of NK cells via their ITAM and ITIM motifs, which recruit protein tyrosine kinases and phosphatases, respectively. In the T cell lineage, inhibitory Ly49 receptors are expressed by a subset of activated T cells and by CD1d-restricted NKT cells, but virtually no expression of activating Ly49 receptors is observed. Using mice transgenic for the activating receptor Ly49D and its associated ITAM signaling DAP12 chain, we show in this article that Ly49D-mediated ITAM signaling in immature thymocytes impairs development due to a block in maturation from the double negative (DN) to double positive (DP) stages. A large proportion of Ly49D/DAP12 transgenic thymocytes were able to bypass the pre-TCR checkpoint at the DN3 stage, leading to the appearance of unusual populations of DN4 and DP cells that lacked expression of intracellular (ic) TCRβ-chain. High levels of CD5 were expressed on ic TCRβ(-) DN and DP thymocytes from Ly49D/DAP12 transgenic mice, further suggesting that Ly49D-mediated ITAM signaling mimics physiological ITAM signaling via the pre-TCR. We also observed unusual ic TCRβ(-) single positive thymocytes with an immature CD24(high) phenotype that were not found in the periphery. Importantly, thymocyte development was completely rescued by expression of an Ly49A transgene in Ly49D/DAP12 transgenic mice, indicating that Ly49A-mediated ITIM signaling can fully counteract ITAM signaling via Ly49D/DAP12. Collectively, our data indicate that inappropriate ITAM signaling by activating NK receptors on immature thymocytes can subvert T cell development by bypassing the pre-TCR checkpoint.

FANCD2 binds MCM proteins and controls replisome function upon activation of s phase checkpoint signaling.

Proteins disabled in Fanconi anemia (FA) are necessary for the maintenance of genome stability during cell proliferation. Upon replication stress signaling by ATR, the FA core complex monoubiquitinates FANCD2 and FANCI in order to activate DNA repair. Here, we identified FANCD2 and FANCI in a proteomic screen of replisome-associated factors bound to nascent DNA in response to replication arrest. We found that FANCD2 can interact directly with minichromosome maintenance (MCM) proteins. ATR signaling promoted the transient association of endogenous FANCD2 with the MCM2-MCM7 replicative helicase independently of FANCD2 monoubiquitination. FANCD2 was necessary for human primary cells to restrain DNA synthesis in the presence of a reduced pool of nucleotides and prevented the accumulation of single-stranded DNA, the induction of p21, and the entry of cells into senescence. These data reveal that FANCD2 is an effector of ATR signaling implicated in a general replisome surveillance mechanism that is necessary for sustaining cell proliferation and attenuating carcinogenesis.

Fibrosarcoma-like lipomatous neoplasm: a reappraisal of so-called spindle cell liposarcoma defining a unique lipomatous tumor unrelated to other liposarcomas

The term "spindle cell liposarcoma" has been applied to liposarcomas (LPSs) composed predominantly or exclusively of spindled cells. These tumors have been considered variants of well-differentiated LPS (WDL), myxoid LPS, and spindle cell lipoma, suggesting that this is a heterogenous group of lesions. Using strict morphologic criteria and molecular and immunohistochemical analyses, we have identified a homogenous group of spindle cell lipomatous tumors, histologically and genetically distinct from other forms of LPS, which we have called "fibrosarcoma-like lipomatous neoplasm." Cases classified as "spindle cell LPS" or "low-grade LPS with spindle cell features" were reviewed. Final selection criteria included: (1) an exclusive low-grade spindle cell component resembling fibrosarcoma; (2) a mixture of bland fibroblastic cells resembling the preadipocyte and early-adipocyte stage of embryonic fat; and (3) molecular-genetic analysis that excluded other forms of lipomatous tumors. Of the initial 25 cases identified, comparative genomic hybridization (CGH) was uninformative in 2 cases; 5 were reclassified as WDL on the basis of molecular data (MDM2 amplification) and 6 as spindle cell lipoma (CGH profiles with a few gains and losses including a constant loss of chromosome 13 and frequent losses of chromosomes 16 and 6). The 12 remaining cases showed flat CGH profiles; of these cases, 11 were negative for DDIT3 gene rearrangements, and 1 result was uninterpretable. Patients ranged in age from 15 to 82 years (mean 50 y); male patients were affected slightly more often (7:5). Tumors arose in the deep (6) and superficial (3) soft tissue of the groin (4), buttock (3), thigh (2), flank (1), shoulder (1), and paratesticular tissue (1) and ranged in size from 2 to 20 cm (mean 7.5 cm). Clinical follow-up in 11 patients (9 mo to 20 y; mean 68 mo) showed no recurrences or metastases. As defined above, "fibrosarcoma-like lipomatous neoplasm" is a unique lipomatous tumor that should be distinguished from WDL/(low-grade) dedifferentiated LPS and myxoid LPS on combined histologic/molecular features because of its better prognosis.

Translation of polarity cues into asymmetric spindle positioning in "Caenorhabditis elegans"

Abstract: Asymmetric cell division is important to generate tissue diversity. The Caenorhabditis elegans embryo is well suited to study the mechanisms of asymmetric cell division. In wild type one-cell stage embryos, the spindle sets up along the anterior-posterior axis (AP). During anaphase, the spindle elongates. While the anterior spindle pole is relatively immobile, the posterior spindle pole moves towards the posterior cortex during anaphase leading to an asymmetric spindle position. As a result, the first cleavage gives rise to a large anterior blastomere and a smaller posterior one, which differs also in cell fate determinants. This posterior spindle displacement occurs in response to polarity cues set up along the AP axis by the PAR proteins and is due to imbalanced pulling forces acting on the two spindle poles, with net forces acting on the posterior spindle pole being more extensive than those at the anterior one. The project of my thesis was to characterize the involvement of two new components, gpr-1 and gpr-2, in spindle positioning. These genes encode essentially identical proteins containing a GoLoco motif characteristic of proteins interacting with α subunits of heterotrimeric G protein (Gα). In gpr-1/2(RNAi) embryos and in embryos lacking simultaneously two α subunits, goa-1 and gpa-16, (Ga(RNAi) embryos), there is a minimal posterior displacement of the spindle during anaphase, and the first division is equal. I found that the pulling forces acting on the two spindle poles is weak and equal in gpr-1/2(RNAi) and Gα (RNAi) embryos. I found that GPR-1/2 acts downstream of polarity cues for generation of pulling forces. Furthermore, I showed that GPR-1/2 distribution was enriched at the posterior cortex during metaphase whereas GOA-1 and GPA-16 were uniformly distributed at the cell cortex throughout the cell cycle. Gα subunits oscillate between GDP- and GTP-bound forms. Gα signaling is turned on by GDP/GTP exchange catalyzed by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) and turned off by hydrolysis of GTP catalyzed by GTPase activating proteins (GAPs). A third class of proteins, the guanine dissociation inhibitors (GDIs), binds the GDP-bound form of Gα subunits and inhibits nucleotide exchange. I found that GPR-1/2 acts as a GDI for GOA-1. Taken together, my findings suggest a model in which differential activation of Gα subunits along the AP axis may translate into generation of differential pulling forces on the anterior and posterior spindle poles, and, thus, asymmetric cell division. Résumé L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans est un modèle approprié pour étudier les mécanismes de la division asymétrique. Chez l'embryon précoce, le fuseau mitotique se forme le long de l'axe antéro-postérieur (A/P) et au centre de l'embryon, le pôle antérieur restant relativement immobile alors que le pôle postérieur du fuseau se déplace vers le cortex postérieur au cours de l'anaphase conduisant à une position excentrée du fuseau. 11 en résulte une première division qui génère un blastomère antérieur et postérieur de grande et petite taille respectivement et qui diffèrent en facteurs développementaux. Ce déplacement postérieur se produit en réponse de la polarité établie par la distribution polarisée des protéines PAR et est le résultat de la génération de forces inégales tirant sur les deux pôles du fuseau, les forces agissant sur le pôle postérieur du fuseau étant plus grandes. Le projet de ma thèse était d'identifier la fonction de deux nouveaux constituants, gpr-1 et gpr-2 dans le positionnement asymétrique du fuseau. Ces gènes codent essentiellement pour la même protéine qui contient un motif GoLoco, caractéristique des protéines interagissant avec la sous-unité alpha des protéines G hétérotrimériques. Chez l'embryon gpr-1/2(RNAi) et chez les embryons dépourvus d'activité de deux sous-unités alpha, goa-1 et gpa-16, (Gα(RNAi)), j'ai montré qu'il y avait un déplacement minimal du fuseau vers le pôle postérieur au cours de l'anaphase et la première division est symétrique en raison de forces faibles et égales agissant sur les deux pôles du fuseau. J'ai également montré que gpr-1/2 était requis en aval des signaux établissant la polarité pour générer les forces responsables du positionnement asymétrique du fuseau. De plus, j'ai montré que GPR-1/2 était enrichi au pôle postérieur lors de la métaphase alors que GOA-1 et GPA-16 étaient localisés de façon uniforme au cortex de l'embryon précoce. Gas oscillent entre une forme liée au GDP et une forme liée au GTP. La signalisation des Gas est activée par l'échange GDP/GTP qui est catalysé par des protéines GEFs. La signalisation des Gas est désactivée par l'hydrolyse du GTP qui est catalysée par des protéines GAPs. Une troisième classe de protéines, GDIs lie la forme GDP et inhibe l'échange de nucléotides. J'ai montré que GPR-1/2 agissait comme un GDI pour GOA-1. Mes résultats suggèrent un modèle dans lequel une activation différentielle des Gα le long de l'axe A/P pourrait générer des forces différentielles sur le pôle antérieur et postérieur du fuseau.

To Divide or Not to Divide; MicroRNAs and Small Compounds as Modulators of Mitosis

Mitosis is under the stringent quality control of the spindle assembly checkpoint (SAC). However, in cancer cells this control can fail, leading to excessive cellular proliferation and ultimately to the formation of a tumor. Novel cancer cell selective therapies are needed to stop the uncontrolled cell proliferation and tumor growth. The aim of the research presented in this thesis was to identify microRNAs (miRNAs) that could play a role in cancer cell proliferation as well as low molecular weight (LMW) compounds that could interfere with cell division. The findings could be used to develop better cancer diagnostics and therapies in the future. First, a high-throughput screen (HTS) was performed to identify LMW compounds that possess a similar chemical interaction field as rigosertib, an anti-cancer compound undergoing clinical trials. A compound termed Centmitor-1 was discovered that phenocopied the cellular impact of rigosertib by affecting the microtubule dynamics. Next, another HTS aimed at identifying compounds that would target the Hec1 protein, which mediates the interaction between spindle microtubules and chromosomes. Perturbation of this connection should prevent cell division and induce cell death. A compound termed VTT-006 was discovered that abrogated mitosis in several cell line models and exhibited binding to Hec1 in vitro. Lastly, using a cell-based HTS two miRNAs were identified that affected cancer cell proliferation via Aurora B kinase, which is an important mitotic regulator. MiR-378a-5p was found to indirectly suppress the production of the kinase whereas let-7b showed direct binding to the 3’UTR of Aurora B mRNA and repressed its translation. The miRNA-mediated perturbation of Aurora B induced defects in mitosis leading to abnormal chromosome segregation and induction of aneuploidy. The results of this thesis provide new information on miRNA signaling in cancer, which could be utilized for diagnostic purposes. Moreover, the thesis introduces two small compounds that may benefit future drug research.

Sleep spindle activity in children with ADHD

Le trouble du déficit de l’attention/hyperactivité (TDA/H) est le désordre du comportement le plus commun chez les enfants. Les études suggèrent qu'un pourcentage élevé d'enfants atteints de TDA/H souffre de problèmes de sommeil et de somnolence diurne. Le mécanisme sous-jacent à ces difficultés demeure inconnu. Plusieurs études ont suggéré que les fuseaux de sommeil jouent un rôle dans les mécanismes de protection du sommeil. L'objectif de cette étude est de comparer les fuseaux lents (11-13 Hz) et rapides (14-15 Hz) chez des enfants atteints du TDA/H et des sujets contrôles. Nous prévoyons que comparativement aux enfants contrôles, les enfants atteints du TDA/H montreront une plus faible densité des fuseaux lents et rapides, et auront des fuseaux plus courts (sec), moins amples (uV) et plus rapides (cycle/sec). Enfin, nous prévoyons que ces effets seront plus prononcés dans les dérivations cérébrales antérieures que dans les dérivations plus postérieures du cerveau. Les enregistrements polysomnographiques (PSG) du sommeil de nuit ont été menés chez 18 enfants diagnostiqués avec le TDA/H et chez 26 sujets témoins âgés entre 7 et 11 ans. Un algorithme automatique a permis de détecter les fuseaux lents et rapides sur les dérivations frontales, centrales, pariétales et occipitales. Les résultats ont montré que, les caractéristiques PSG du sommeil ne différaient pas significativement entre les deux groupes. On ne note aucune différence significative entre les groupes sur nombre/densité des fuseaux lents et rapides ainsi que sur leurs caractéristiques respectives. Cette étude suggère que les mécanismes de synchronisation du l'EEG en sommeil lent, tel que mesuré par la densité et les caractéristiques des fuseaux lents et rapides en sommeil lent ne différent pas chez les enfants atteints du TDA/H.

Bcl-xL regulation and function in cell cycle checkpoints and progression

Quelques évidences suggèrent que Bcl-xL, un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2, possède également des fonctions au niveau du cycle cellulaire et de ses points-contrôle. Pour étudier la régulation et fonction de Bcl-xL au cours du cycle cellulaire, nous avons généré et exprimé dans des cellules humaines une série de mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser49Ala, Ser56Ala, Ser62Ala et Thr115Ala. L'analyse de cette série de mutants révèle que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser62Ala) sont moins stables au point-contrôle G2 du cycle cellulaire comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou les autres mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala et Thr115Ala. Les études de cinétiques de phosphorylation et de localisation de phospho-Bcl-xL(Ser62) dans des cellules synchronisées et suite à l'activation du point-contrôle en G2 médié par l'étoposide (VP16), nous indiquent que phospho-Bcl-xL(Ser62) migre dans les corps nucléolaires durant l'arrêt en G2 dans les cellules exposées au VP16. Une série d'expériences incluant des essais kinase in vitro, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et d'ARN interférant, nous révèlent que Polo kinase 1 (PLK1) et MAPK9/JNK2 sont les protéines kinase impliquées dans la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62), et pour son accumulation dans les corps nucléolaires pendant le point-contrôle en G2. Nos résultats indiquent que durant le point-contrôle en G2, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie et se co-localise avec CDK1(CDC2), le complexe cycline-kinase qui contrôle l'entrée en mitose. Nos résultats suggèrent que dans les corps nucléolaires, phospho-Bcl-xL(Ser62) stabilise l'arrêt en G2 en séquestrant CDK1(CDC2) pour retarder l'entrée en mitose. Ces résultats soulignent également que les dommages à l'ADN influencent la composition des corps nucléolaires, structure nucléaire qui émerge maintenant comme une composante importante de la réponse aux dommages à l'ADN. Dans une deuxième étude, nous décrivons que les cellules exprimant le mutant de phosphorylation Bcl-xL(Ser62Ala) sont également plus stables au point-contrôle de l'assemblage du fuseau de la chromatine (SAC) suite à une exposition au taxol, comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou d'autres mutants de phosphorylation de Bcl-xL, incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala. Cet effet est indépendent de la fonction anti-apoptotique de Bcl-xL. Bcl-xL(Ser62) est fortement phosphorylé par PLK1 et MAPK14/SAPKp38α à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et déphosphorylé à la télophase et la cytokinèse. Phospho-Bcl-xL(Ser62) se trouve dans les centrosomes avec γ-tubuline, le long du fuseau mitotique avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique avec des composantes du SAC. Dans des cellules exposées au taxol, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie au complexe inhibiteur CDC20/MAD2/BUBR1/BUB3, alors que le mutant Bcl-xL(Ser62Ala) ne se lie pas à ce complexe. Ces résultats indiquent que durant le SAC, la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62) accélère la résolution du SAC et l'entrée des cellules en anaphase. Des expériences bloquant l'expression de Bcl-xL révèlent ègalement un taux très élevé de cellules tétraploïdes et binuclées après un traitement au nocodazole, consistant avec une fonction de Bcl-xL durant la mitose et dans la stabilité génomique. Dans la troisième étude, l'analyse fonctionnelle de cette série de mutants de phosphorylation indique également que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser49Ala) sont moins stables durant le point-contrôle G2 et entre en cytokinèse plus lentement dans des cellules exposées aux inhibiteurs de la polymérisation/dépolymérisation des tubulines, composantes des microtubules. Ces effets de Bcl-xL(Ser49Ala) sont indépendents de sa fonction anti-apoptotique. La phosphorylation de Bcl-xL(Ser49) est dynamique au cours du cycle cellulaire. Dans des cellules synchronisées, Bcl-xL(Ser49) est phosphorylé en phase S et G2, déphosphorylé à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et re-phosphorylé durant la télophase et la cytokinèse. Au cours du point-contrôle G2 induit par les dommages à l'ADN, un pool important de phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve aux centrosomes, un site important pour la régulation de l'entrée en mitose. Durant la télophase et la cytokinèse, phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve le long des microtubules avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique. Finalement, nos résultats suggèrent que PLK3 est responsable de la phosphorylation de Bcl-xL(Ser49), une protéine kinase impliquée pour l'entrée des cellules en mitose et pour la progression de la mitose jusqu'à la division cellulaire.

Rôle des centrosomes dans la régulation du point de contrôle en G2/M en réponse aux dommages à l'ADN

Les centrosomes sont les centres organisateurs des microtubules et jouent un rôle crucial dans l’organisation du fuseau bipolaire pendant la mitose. Plus récemment, le rôle des centrosomes dans la régulation de l’entrée en mitose a été mis en évidence. Les centrosomes semblent également contribuer à l’activation du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions de l’ADN en servant de point de rencontre pour les régulateurs du cycle cellulaire et les gènes de réponse aux dommages à l’ADN. L’amplification du nombre de centrosomes est une caractéristique des cellules tumorales mais de façon intéressante, elle constitue aussi une réponse des cellules aux dommages à l’ADN. Les mécanismes qui régulent l’homéostasie et la dynamique des centrosomes sont encore mal compris. Pour mieux comprendre le rôle des centrosomes dans la régulation du point de contrôle en G2/M en réponse aux dommages à l’ADN, le recrutement et/ou l’activation au niveau des centrosomes des kinases impliquées dans les voies de signalisation de ce point de contrôle ont été étudiés par immunofluorescence indirecte sur cellules HeLaS3 ou par Western blot sur des fractions enrichies en centrosomes. Nos résultats montrent que les kinases ATM, ATR, CHK1 et CHK2 sont actives dans les centrosomes de cellules en phase G2. En réponse à l’activation du point de contrôle en G2/M, les formes actives de ces kinases diminuent au niveau des centrosomes. Pour identifier de nouveaux acteurs centrosomaux potentiellement impliqués dans la régulation de ce point de contrôle, une analyse comparative des protéomes de centrosomes purifiés a également été réalisée par spectrométrie de masse. Pour étudier plus particulièrement la fonction de CHK2 au niveau des centrosomes, nous avons développer des outils moléculaires qui serviront à déterminer le rôle de la sous population de CHK2 localisée aux centrosomes 1) dans la régulation de l’entrée en mitose au cours d’un cycle normal 2) dans l’activation et la stabilité du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions l’ADN et 3) dans l’homéostasie et la dynamiques des centrosomes en réponse aux dommages à l’ADN. Cette étude permettra de mieux comprendre la fonction des centrosomes dans la réponse cellulaire au stress génotoxiques anti-cancereux et de révéler de nouvelles fonctions potentielles pour la kinase CHK2.

Localisation et fonction de CHK2 en mitose

Les centrosomes dont le rôle principal est d’organiser le cytosquelette de microtubules et le fuseau mitotique servent aussi de sites d’interaction pour plusieurs protéines régulatrices du cycle cellulaire et de la réponse aux dommages à l’ADN. Une de ces protéines est la kinase CHK2 et plusieurs publications montrent une sous-population de CHK2 localisée aux centrosomes dans les cellules en interphase et en mitose. Toutefois, la localisation de CHK2 aux centrosomes demeure controversée, car des doutes subsistent en ce qui concerne la spécificité des anticorps utilisés en immunocytochimie. En utilisant des lignées cellulaires du cancer du côlon, les cellules HCT116 sauvages et HCT116 CHK2-/- ainsi que différentes lignées d’ostéosarcome humain dans lesquelles l’expression de CHK2 a été inhibée par ARN interférence, nous montrons que les anticorps anti-CHK2 qui donnent un signal centrosomal sont non spécifiques et reconnaissent un antigène inconnu sur les centrosomes. Cependant, par des expériences d’immunofluorescence réalisées avec des cellules U2OS qui expriment les protéines de fusion GFP-CHK2 ou FLAG-CHK2, nous révélons une localisation centrosomale de CHK2 dans les cellules en mitose, mais pas en interphase. Ce résultat a été confirmé par vidéomicroscopie dans les cellules vivantes exprimant GFP-CHK2. Pour déterminer le ou les rôles potentiels de CHK2 en mitose nous avons réalisé des expériences pour explorer le rôle de CHK2 dans la progression de la mitose, la nucléation des microtubules aux centrosomes et la progression de la mitose en présence de problèmes d’attachement des chromosomes où de lésions génotoxiques. Nos données suggèrent que CHK2 n’est pas impliquée dans la régulation de la mitose dans les cellules U2OS.