T cell affinity regulates asymmetric division, effector cell differentiation, and tissue pathology.

The strength of interactions between T cell receptors and the peptide-major histocompatibility complex (pMHC) directly modulates T cell fitness, clonal expansion, and acquisition of effector properties. Here we show that asymmetric T cell division is an important mechanistic link between increased signal strength, effector differentiation, and the ability to induce tissue pathology. Recognition of pMHC above a threshold affinity drove responding T cells into asymmetric cell division. The ensuing proximal daughters underwent extensive division and differentiated into short-lived effector cells expressing the integrin VLA-4, allowing the activated T cell to infiltrate and mediate destruction of peripheral target tissues. In contrast, T cells activated by below-threshold antigens underwent symmetric division, leading to abortive clonal expansion and failure to fully differentiate into tissue-infiltrating effector cells. Antigen affinity and asymmetric division are important factors that regulate fate specification in CD8(+) T cells and predict the potential of a self-reactive T cell to mediate tissue pathology.

A long non-coding RNA targets microRNA miR-34a to regulate colon cancer stem cell asymmetric division.

The roles of long non-coding RNAs (lncRNAs) in regulating cancer and stem cells are being increasingly appreciated. Its diverse mechanisms provide the regulatory network with a bigger repertoire to increase complexity. Here we report a novel LncRNA, Lnc34a, that is enriched in colon cancer stem cells (CCSCs) and initiates asymmetric division by directly targeting the microRNA miR-34a to cause its spatial imbalance. Lnc34a recruits Dnmt3a via PHB2 and HDAC1 to methylate and deacetylate the miR-34a promoter simultaneously, hence epigenetically silencing miR-34a expression independent of its upstream regulator, p53. Lnc34a levels affect CCSC self-renewal and colorectal cancer (CRC) growth in xenograft models. Lnc34a is upregulated in late-stage CRCs, contributing to epigenetic miR-34a silencing and CRC proliferation. The fact that lncRNA targets microRNA highlights the regulatory complexity of non-coding RNAs (ncRNAs), which occupy the bulk of the genome.

Asymmetric cancer cell division regulated by AKT.

Human tumors often contain slowly proliferating cancer cells that resist treatment, but we do not know precisely how these cells arise. We show that rapidly proliferating cancer cells can divide asymmetrically to produce slowly proliferating "G0-like" progeny that are enriched following chemotherapy in breast cancer patients. Asymmetric cancer cell division results from asymmetric suppression of AKT/PKB kinase signaling in one daughter cell during telophase of mitosis. Moreover, inhibition of AKT signaling with small-molecule drugs can induce asymmetric cancer cell division and the production of slow proliferators. Cancer cells therefore appear to continuously flux between symmetric and asymmetric division depending on the precise state of their AKT signaling network. This model may have significant implications for understanding how tumors grow, evade treatment, and recur.

Régulation de la division asymétrique chez C. elegans

La division asymétrique est essentielle pour générer la diversité au cours du développement et permet aussi de réguler la balance entre renouvellement et différenciation des cellules souches chez l’adulte. Dans ces deux cas de figure, elle dépend respectivement d’une polarité intrinsèque ou d’une polarité extrinsèque. C. elegans est un excellent modèle pour étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires de la division asymétrique in vivo. Chez l’embryon, le maintien d’un axe de polarité antéro-postérieur dépend des protéines PAR conservées et localisées de façon asymétrique en deux groupes mutuellement exclusifs; le groupe antérieur avec PAR-3, PAR-6, PKC-3 et le groupe postérieur avec PAR-2 et PAR-1. L’absence d’une protéine PAR entraine une perte de polarité et une létalité embryonnaire. Lors d’un crible par ARN interférence mené par Jean-Claude Labbé pour identifier les suppresseurs de la létalité associée à la perte de PAR-2, deux cyclines de type B, CYB-2.1 et CYB-2.2 ont été trouvées. J’ai déterminé que CYB-2.1 et CYB-2.2 interviennent dans la polarité sans perturber le cycle cellulaire et agissent vraisemblablement avec leur kinase associée, CDK-1, pour stabiliser les niveaux protéiques de PAR-6. Ces travaux permettent de mieux définir les liens étroits entre polarité et cycle cellulaire. La lignée germinale de C. elegans est un excellent modèle pour étudier les divisions des cellules souches germinales in vivo. Par contre, l’absence d’orientation préférentielle de ces divisions laisse envisager que la complexité morphologique de la niche pourrait engendrer une diversité d’axe possible. J’ai étudié la régulation morphologique de cette niche, une unique cellule somatique appelée distal tip cell (DTC), qui arborise de longues extensions au stade adulte. Mes résultats préliminaires favorisent un modèle dans lequel les cellules souches et progéniteurs germinaux (CSPG) supportent la formation de ces extensions. Enfin, j’ai obtenu des conditions favorables à l’étude de la division asymétrique extrinsèque dans ce modèle, en simplifiant l’architecture de la niche dans des conditions qui préservent les divisions cellulaires des cellules souches. Mes travaux ont permis de mieux comprendre les liens unissant les différents processus biologiques impliqués dans la division asymétrique, d’une part par l’étude du rôle qu’y jouent des régulateurs clés du cycle cellulaire au cours du développement et d’autre part par la caractérisation d’une communication bidirectionnelle entre la niche et les cellules souches chez l’adulte.

Análise da estrutura e da função da proteína morfogenética RodZ de Bacillus subtilis

Resumo: RodZ é um componente do sistema morfogenético das células bacterianas. É uma proteína transmembranar que localiza em bandas ao longo do eixo longitudinal da célula. Em Bacillus subtilis, RodZ consiste numa porção citoplasmática, RodZn, e em uma parte extra-citoplasmática, RodZc. RodZn contém um domínio em helixturn- helix (HTH), enquanto que RodZc pode ser dividido num domínio coiled-coil e num domínio terminal C, de função desconhecida. Um segmento transmembranar (TM) único separa RodZn de RodZc. A eliminação de rodZ causa alongamento do nucleóide e leva à produção de células polares nucleadas. Aqui, mostramos que RodZn é estruturado, estável e em hélice α. Descobrimos que as substituições Y32A e L33A na suposta hélice de reconhecimento (3) do motivo HTH, bem como as substituições Y49A e F53A, fora do motivo HTH (4), causam divisão assimétrica, mas apenas as últimas levam à deslocalização sub-celular de RodZ. Sugerimos que as hélices 3 e 4 são utilizadas para uma interacção proteína-proteína ou proteína- DNA essencial para divisão celular enquanto que 4 deve contactar um componente do citosqueleto, possivelmente MreB, uma vez que a correcta localização sub-celular de RodZ depende desta proteína. Em todos os mutantes as células polares são anucleadas, pelo que concluímos que o alongamento do nucleóide não é um prérequisito para divisão assimétrica. RodZc é largamente não estruturado mas com conteúdo de folha , sendo estabilizado pelo domínio coiled-coil. Mostramos uma relação homóloga entre RodZc e a bomba de transporte Na+/Ca2+ NCX1 e identificámos dois resíduos no domínio C, G265 e N275, essenciais para a manutenção da forma celular. Estes resíduos fazem parte de um motivo em gancho que pode actuar como um local de interacção com um ligando desconhecido. RodZn e RodZc são monoméricos em solução. Contudo, na membrana, RodZ interage consigo própria num sistema de dois híbridos (Split-Ubiquitin) em levedura, sugerindo que possa formar multímeros in vivo.-----------ABSTRACT: RodZ is a transmembrane component of the bacterial core morphogenic apparatus. RodZ localizes in bands long the longitudinal axis of the cell, and it is though to functionally link the cell wall to the actin cytoskeleton. In Bacillus subtilis, RodZ consists of a cytoplasmic moiety, RodZn, and an extracytoplasmic moiety, RodZc. RodZn contains a predicted helix-turn-helix domain, whereas RodZc is thought to contain a coiled-coil region and a terminal C domain of unknown function. A single transmembrane domain separates RodZn from RodZc. Deletion of rodZ causes elongation of the nucleoid and leads to the production of polar minicells containing DNA. Here, we have studied the structure and function of RodZn and RodZc. We show that RodZn is a stable, folded, -helical domain. We discovered that the Y32A and L33A substitutions within the presumptive recognition helix (3) of the HTH motif, as well as the Y49A and F53A substitutions outside of the HTH motif (in 4) cause asymmetric cell division. However, only the substitutions in 4 cause sub-celular delocalization of RodZ. We suggest that 3 and 4 are used for a protein-protein or protein-DNA interaction important for cell division, whereas 4 is likely to contact a cytoskeletal component, presumably MreB. The polar cells formed by all the mutants are anucleate. We conclude that nucleoid elongation is not a prerequisite for asymmetric division. RodZc appears to be a largely unstructured domain, with some -sheet content, and is stabilized by the coiled-coil region. We show a homology relationship between RodZc and the NCX1 Na+/Ca2+ transporter and we found two residues within the C domain, G265 and N275, that are important for cell shape determination. These residues are predicted to be essential determinants of a claw-like motif, which may act as a binding site for an unknown ligand. Both the isolated RodZn and RodZc proteins are monomeric in solution. However, because full-length RodZ interacts with itself in a split-ubiquitin yeast two-hybrid assay, we suggest that it may dimerize or form higher order multimers in vivo.

In Vivo Modulation of Mitochondrial Activity Determines HSC Engraftment and Post-Transplant Survival in Mice

Cellular metabolism is emerging as a potential fate determinant in cancer and stem cell biology, constituting a crucial regulator of the hematopoietic stem cell (HSC) pool [1-4]. The extremely low oxygen tension in the HSC microenvironment of the adult bone marrow forces HSCs into a low metabolic profile that is thought to enable their maintenance by protecting them from reactive oxygen species (ROS). Although HSC quiescence has for long been associated with low mitochondrial activity, as testified by the low rhodamine stain that marks primitive HSCs, we hypothesized that mitochondrial activation could be an HSC fate determinant in its own right. We thus set to investigate the implications of pharmacologically modulating mitochondrial activity during bone marrow transplantation, and have found that forcing mitochondrial activation in the post-transplant period dramatically increases survival. Specifically, we examined the mitochondrial content and activation profile of each murine hematopoietic stem and progenitor compartment. Long-term-HSCs (LT-HSC, Lin-cKit+Sca1+ (LKS) CD150+CD34-), short-term-HSCs (ST-HSC, LKS+150+34+), multipotent progenitors (MPPs, LKS+150-) and committed progenitors (PROG, Lin-cKit+Sca1-) display distinct mitochondrial profiles, with both mitochondrial content and activity increasing with differentiation. Indeed, we found that overall function of the hematopoietic progenitor and stem cell compartment can be resolved by mitochondrial activity alone, as illustrated by the fact that low mitochondrial activity LKS cells (TMRM low) can provide efficient long-term engraftment, while high mitochondrial activity LKS cells (TMRM high) cannot engraft in lethally irradiated mice. Moreover, low mitochondrial activity can equally predict efficiency of engraftment within the LT-HSC and ST-HSC compartments, opening the field to a novel method of discriminating a population of transitioning ST-HSCs that retain long-term engraftment capacity. Based on previous experience that a high-fat bone marrow microenvironment depletes short-term hematopoietic progenitors while conserving their long-term counterparts [5], we set to measure HSC mitochondrial activation in high-fat diet fed mice, known to decrease metabolic rate on a per cell basis through excess insulin/IGF-1 production. Congruently, we found lower mitochondrial activation as assessed by flow cytometry and RT-PCR analysis as well as a depletion of the short-term progenitor compartment in high fat versus control chow diet fed mice. We then tested the effects of a mitochondrial activator known to counteract the negative effects of high fat diet. We first analyzed the in vitro effect on HSC cell cycle kinetics, where no significant change in proliferation or division time was found. However, HSCs responded to the mitochondrial activator by increasing asynchrony, a behavior that is thought to directly correlate with asymmetric division [6]. As opposed to high-fat diet fed mice, mice fed with the mitochondrial activator showed an increase in ST-HSCs, while all the other hematopoietic compartments were comparable to mice fed on control diet. Given the dependency on short-term progenitors to rapidly reconstitute hematopoiesis following bone marrow transplantation, we tested the effect of pharmacological mitochondrial activation on the recovery of mice transplanted with a limiting HSC dose. Survival 3 weeks post-transplant was 80% in the treated group compared to 0% in the control group, as predicted by faster recovery of platelet and neutrophil counts. In conclusion, we have found that mitochondrial activation regulates the long-term to short-term HSC transition, unraveling mitochondrial modulation as a valuable drug target for post-transplant therapy. Identification of molecular pathways accountable for the metabolically mediated fate switch is currently ongoing.

Molecular and Functional Characterization of Neuroblastoma-Initiating Cells

Neuroblastoma (NB) is the most common extracranial malignant tumor in young children and arises at any site of the sympathetic nervous system. The disease exhibits a remarkable phenotypic diversity ranging from spontaneous regression to fatal disease. Poor outcome results from a rapidly progressive, metastatic and drug-resistant disease. Recent studies have suggested that solid tumors may arise from a minor population of cancer stem cells (CSCs) with stem cell markers and typical properties such as self-renewal ability, asymmetric division and drug resistance. In this model, CSCs possess the exclusive ability to initiate and maintain the tumor, and to produce distant metastases. Tumor cell subpopulations with stem-like phenotypes have indeed been identified in several cancer including leukemia, breast, brain and colon cancers. CSC hypothesis still needs to be validated in the other cancers including NB.NB originates from neural crest-derived malignant sympatho-adrenal cells. We have identified rare cells that express markers in conformity with neural crest stem cells and their derived lineages within primary NB tissue and cell lines, leading us to postulate the existence of CSCs in NB tumors.In the absence of specific markers to isolate CSCs, we adapted to NB tumor cells the sphere functional assay, based on the ability of stem cells to grow as spheres in non-adherent conditions. By serial passages of spheres from bone marrow NB metastases, a subset of cells was gradually selected and its specific gene expression profile identified by micro-array time-course analysis. The differentially expressed genes in spheres are enriched in genes implicated in development including CD133, ABC-transporters, WNT and NOTCH genes, identified in others solid cancers as CSCs markers, and other new markers, all referred by us as the Neurosphere Expression Profile (NEP). We confirmed the presence of a cell subpopulation expressing a combination of the NEP markers within a few primary NB samples.The tumorigenic potential of NB spheres was assayed by in vivo tumor growth analyses using orthotopic (adrenal glands) implantations of tumor cells into immune-compromised mice. Tumors derived from the sphere cells were significantly more frequent and were detected earlier compared to whole tumor cells. However, NB cells expressing the neurosphere-associated genes and isolated from the bulk tumors did not recapitulate the CSC-like phenotype in the orthotopic model. In addition, the NB sphere cells lost their higher tumorigenic potential when implanted in a subcutaneous heterotopic in vivo model.These results highlighted the complex behavior of CSC functions and led us to consider the stem-like NB cells as a dynamic and heterogeneous cell population influenced by microenvironment signals.Our approach identified for the first time candidate genes that may be associated with NB self-renewal and tumorigenicity and therefore would establish specific functional targets for more effective therapies in aggressive NB.

Activité des cellules souches : identification de nouveaux effecteurs dans le système hématopoïétique

Les cellules souches somatiques présentent habituellement un comportement très différent des cellules souches pluripotentes. Les bases moléculaires de l’auto-renouvellement des cellules souches embryonnaires ont été récemment déchiffrées grâce à la facilité avec laquelle nous pouvons maintenant les purifier et les maintenir en culture durant de longues périodes de temps. Par contre, il en va tout autrement pour les cellules souches hématopoïétiques. Dans le but d’en apprendre davantage sur le fonctionnement moléculaire de l’auto-renouvellement des cellules souches hématopoïétiques, j’ai d’abord conçu une nouvelle méthode de criblage gain-de-fonction qui répond aux caprices particuliers de ces cellules. Partant d’une liste de plus de 700 facteurs nucléaires et facteurs de division asymétrique candidats, j’ai identifié 24 nouveaux facteurs qui augmentent l’activité des cellules souches hématopoïétiques lorsqu’ils sont surexprimés. J’ai par la suite démontré que neuf de ces facteurs agissent de manière extrinsèque aux cellules souches hématopoïétiques, c’est-à-dire que l’effet provient des cellules nourricières modifiées en co-culture. J’ai également mis à jour un nouveau réseau de régulation de transcription qui implique cinq des facteurs identifiés, c’est-à-dire PRDM16, SPI1, KLF10, FOS et TFEC. Ce réseau ressemble étrangement à celui soutenant l’ostéoclastogénèse. Ces résultats soulèvent l’hypothèse selon laquelle les ostéoclastes pourraient aussi faire partie de la niche fonctionnelle des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. De plus, j’ai identifié un second réseau de régulation impliquant SOX4, SMARCC1 et plusieurs facteurs identifiés précédemment dans le laboratoire, c’est-à-dire BMI1, MSI2 et KDM5B. D’autre part, plusieurs indices accumulés tendent à démontrer qu’il existe des différences fondamentales entre le fonctionnement des cellules souches hématopoïétiques murines et humaines.

Analysis of the genetic diversity and structure across a wide range of germplasm reveals prominent gene flow in apple at the European level

Abstract Background: The amount and structure of genetic diversity in dessert apple germplasm conserved at a European level is mostly unknown, since all diversity studies conducted in Europe until now have been performed on regional or national collections. Here, we applied a common set of 16 SSR markers to genotype more than 2,400 accessions across 14 collections representing three broad European geographic regions (North+East, West and South) with the aim to analyze the extent, distribution and structure of variation in the apple genetic resources in Europe. Results: A Bayesian model-based clustering approach showed that diversity was organized in three groups, although these were only moderately differentiated (FST=0.031). A nested Bayesian clustering approach allowed identification of subgroups which revealed internal patterns of substructure within the groups, allowing a finer delineation of the variation into eight subgroups (FST=0.044). The first level of stratification revealed an asymmetric division of the germplasm among the three groups, and a clear association was found with the geographical regions of origin of the cultivars. The substructure revealed clear partitioning of genetic groups among countries, but also interesting associations between subgroups and breeding purposes of recent cultivars or particular usage such as cider production. Additional parentage analyses allowed us to identify both putative parents of more than 40 old and/or local cultivars giving interesting insights in the pedigree of some emblematic cultivars. Conclusions: The variation found at group and sub-group levels may reflect a combination of historical processes of migration/selection and adaptive factors to diverse agricultural environments that, together with genetic drift, have resulted in extensive genetic variation but limited population structure. The European dessert apple germplasm represents an important source of genetic diversity with a strong historical and patrimonial value. The present work thus constitutes a decisive step in the field of conservation genetics. Moreover, the obtained data can be used for defining a European apple core collection useful for further identification of genomic regions associated with commercially important horticultural traits in apple through genome-wide association studies.

FACS-based purification of Arabidopsis microspores, sperm cells and vegetative nuclei

Background: The male germline in flowering plants differentiates by asymmetric division of haploid uninucleated microspores, giving rise to a vegetative cell enclosing a smaller generative cell, which eventually undergoes a second mitosis to originate two sperm cells. The vegetative cell and the sperm cells activate distinct genetic and epigenetic mechanisms to control pollen tube growth and germ cell specification, respectively. Therefore, a comprehensive characterization of these processes relies on efficient methods to isolate each of the different cell types throughout male gametogenesis. Results: We developed stable transgenic Arabidopsis lines and reliable purification tools based on Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS) in order to isolate highly pure and viable fractions of each cell/nuclei type before and after pollen mitosis. In the case of mature pollen, this was accomplished by expressing GFP and RFP in the sperm and vegetative nuclei, respectively, resulting in 99% pure sorted populations. Microspores were also purified by FACS taking advantage of their characteristic small size and autofluorescent properties, and were confirmed to be 98% pure. Conclusions: We provide simple and efficient FACS-based purification protocols for Arabidopsis microspores, vegetative nuclei and sperm cells. This paves the way for subsequent molecular analysis such as transcriptomics, DNA methylation analysis and chromatin immunoprecipitation, in the developmental context of microgametogenesis in Arabidopsis.

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.

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.

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.

Asymmetric cell division intersects with cell geometry : a method to extrapolate and quantify geometrical parameters of sensory organ precursors

La division cellulaire asymétrique (DCA) consiste en une division pendant laquelle des déterminants cellulaires sont distribués préférentiellement dans une des deux cellules filles. Par l’action de ces déterminants, la DCA générera donc deux cellules filles différentes. Ainsi, la DCA est importante pour générer la diversité cellulaire et pour maintenir l’homéostasie de certaines cellules souches. Pour induire une répartition asymétrique des déterminants cellulaires, le positionnement du fuseau mitotique doit être très bien contrôlé. Fréquemment ceci génère deux cellules filles de tailles différentes, car le fuseau mitotique n’est pas centré pendant la mitose, ce qui induit un positionnement asymétrique du sillon de clivage. Bien qu’un complexe impliquant des GTPases hétérotrimériques et des protéines liant les microtubules au cortex ait été impliqué directement dans le positionnement du fuseau mitotique, le mécanisme exact induisant le positionnement asymétrique du fuseau durant la DCA n'est pas encore compris. Des études récentes suggèrent qu’une régulation asymétrique du cytosquelette d’actine pourrait être responsable de ce positionnement asymétrique du faisceau mitotique. Donc, nous émettons l'hypothèse que des contractions asymétriques d’actine pendant la division cellulaire pourraient déplacer le fuseau mitotique et le sillon de clivage pour créer une asymétrie cellulaire. Nos résultats préliminaires ont démontré que le blebbing cortical, qui est une indication de tension corticale et de contraction, se produit préférentiellement dans la moitié antérieure de cellule précurseur d’organes sensoriels (SOP) pendant le stage de télophase. Nos données soutiennent l'idée que les petites GTPases de la famille Rho pourraient être impliqués dans la régulation du fuseau mitotique et ainsi contrôler la DCA des SOP. Les paramètres expérimentaux développés pour cette thèse, pour étudier la régulation de l’orientation et le positionnement du fuseau mitotique, ouvrirons de nouvelles avenues pour contrôler ce processus, ce qui pourrait être utile pour freiner la progression de cellules cancéreuses. Les résultats préliminaires de ce projet proposeront une manière dont les petites GTPases de la famille Rho peuvent être impliqués dans le contrôle de la division cellulaire asymétrique in vivo dans les SOP. Les modèles théoriques qui sont expliqués dans cette étude pourront servir à améliorer les méthodes quantitatives de biologie cellulaire de la DCA.