Études fonctionnelles de deux nouvelles protéines centrosomales, NPHP5 et Cep76, et leurs implications dans les maladies humaines

Les centrosomes sont de petits organites qui régulent divers processus cellulaires comme la polarité ou la mitose dans les cellules de mammifères. Ils sont composés de deux centrioles entourés par une matrice péricentriolaire. Ces centrosomes sont les principaux centres organisateurs de microtubules. De plus, ils favorisent la formation de cils, des protubérances sur la surface des cellules quiescentes qui sont critiques pour la transduction du signal. Une grande variété de maladies humaines telles que les cancers ou les ciliopathies sont liées à un mauvais fonctionnement des centrosomes et des cils. C’est pourquoi le but de mes projets de recherche est de comprendre les mécanismes nécessaires à la biogénèse et au fonctionnement des centrosomes et des cils. Tout d'abord, j’ai caractérisé une nouvelle protéine centrosomale nommée nephrocystine - 5 (NPHP5). Cette protéine est localisée dans les cellules en interphase au niveau de la région distale des centrioles. Sa déplétion inhibe la migration des centrosomes à la surface cellulaire lors de l’étape précoce de la formation des cils. NPHP5 interagit avec la protéine CEP290 via sa région C-terminale qui est essentielle pour la ciliogenèse. Elle interagit également avec la calmoduline ce qui empêche son auto-agrégation. J’ai démontré que les domaines de liaison de NHPH5 à CEP290 et à la calmoduline, ainsi que son domaine de localisation centrosomale sont séparables. De plus, j’ai démontré que les protéines NPHP5 présentant des mutations pathogènes ne peuvent plus interagir avec CEP290 et ne sont plus localisées aux centrosomes, rendant ainsi ces protéines non fonctionnelles. Enfin, en utilisant une approche pharmacologique pour moduler les événements en aval dans la voie ciliogénique, j’ai montré que la formation des cils peut être restaurée même en absence de NPHP5. D’autre part, j’ai étudié le rôle de NPHP5 dans l'assemblage et le trafic du complexe BBSome dans le cil. Le BBSome est composé de huit sous-unités différentes qui s’assemblent en un complexe fonctionnel dont on sait peu de chose sur la régulation spatiotemporelle de son processus d'assemblage. J’ai précédemment montré que NPHP5 favorisait la formation des cils et que son dysfonctionnement contribuait au développement de néphronophtise (NPHP). Bien que la NPHP et le syndrome de Bardet-Biedl (BBS) soient des ciliopathies qui partagent des caractéristiques cliniques communes, la base moléculaire de ces ressemblances phénotypiques n’est pas comprise. J’ai constaté que NPHP5, localisé à la base du cil, contient deux sites de liaison distincts pour le BBSome. De plus, j’ai démontré que NPHP5 et son partenaire CEP290 interagissent de façon dynamique avec le BBSome pendant la transition de la prolifération à la quiescence. La déplétion de NPHP5 ou CEP290 conduit à la dissociation d’au moins deux sous-unités du BBSome formant alors un sous-complexe dont la capacité de migration dans le cil n’est pas compromise. J’ai montré que le transport des cargos vers le compartiment ciliaire par ce sous-complexe n’est que partiellement altéré. Enfin, j’ai également concentré mes recherches sur une autre protéine centrosomale peu caractérisée. La protéine centrosomale de 76 kDa (Cep76) a été précédemment impliquée dans le maintien d’une duplication unique des centrioles par cycle cellulaire, et dans une interaction avec la kinase cycline-dépendante 2 (CDK2). Cep76 est préférentiellement phosphorylée par le complexe cycline A/CDK2 sur le site unique S83. Cet événement est essentiel pour supprimer l'amplification des centrioles en phase S. J’ai démontré que Cep76 inhibe cette amplification en bloquant la phosphorylation de Plk1 au niveau des centrosomes. D’autre part, Cep76 peut être acétylée au site K279 en phase G2, ce qui régule négativement son activité et sa phosphorylation sur le site S83. Ces études permettent d'améliorer notre compréhension de la biologie des centrosomes et des cils et pourraient conduire au développement de nouvelles applications diagnostiques et thérapeutiques.

KINESIN MOTOR PROTEINS ARE ESSENTIAL FOR MALE GAMETOPHYTE DEVELOPMENT IN MARSILEA VESTITA

The male gametophyte of the semi-aquatic fern, Marsilea vestita, produces multiciliated spermatozoids in a rapid developmental sequence that is controlled post-transcriptionally when dry microspores are placed in water. Development can be divided into two phases, mitosis and differentiation. During the mitotic phase, a series of nine successive division cycles produce 7 sterile cells and 32 spermatids in 4.5-5 hours. During the next 5-6 hours, each spermatid differentiates into a corkscrew-shaped motile spermatozoid with ~140 cilia. This document focuses on the role of motor proteins in the regulation of male gametophyte development and during ciliogenesis. In order to study the mechanisms that regulate spermatogenesis, RNAseq was used to generate a reference transcriptome that allowed us to assess the abundance of transcripts at different stages of development. Over 120 kinesin-like sequences were identified in the transcriptome that represent 56 unique kinesin transcripts. Members of the kinesin-2, -4, -5, -7, -8, -9, -12, -13, and -14 families, in addition to several plant specific and ‘orphan’ kinesins are present. Most (91%) of these kinesin transcripts change in abundance throughout gametophyte development, with 52% of kinesin mRNAs enriched during the mitotic phase and 39% enriched during differentiation. Functional analyses show that the temporal regulation of kinesin transcripts during gametogenesis directly correlates with kinesin protein function. Specifically, Marsilea makes one kinesin-2 (MvKinesin-2) and two kinesin-9 (MvKinesin-9A and MvKinesin-9B) transcripts, which are present during spermatid differentiation and ciliogenesis. Silencing experiments showed that MvKinesin-2 and MvKinesin-9A are required for ciliogenesis and motility in the Marsilea male gametophyte; however, these kinesins display atypical roles during these processes. In contrast, spermatozoids produced after the silencing of MvKinesin-9B exhibit normal morphology. MvKinesin-2 is necessary for cytokinesis as well as for regulating ciliary length and MvKinesin-9A is needed for the correct orientation of basal bodies, events not typically associated with these proteins. In addition, Marsilea makes motile, ciliated gametophytes without the help of IFT dynein, outer arm dynein, or the BBsome. These results are the first to investigate the kinesin-linked mechanisms that regulate ciliogenesis in a land plant.