Assemblage de fuseaux meiotiques sur micro-motifs de chromatine : étude du role de l’Augmin, de la Kinesine-10 et la Kinesine-4

Meiotic spindle assembly on chromatin micropatterns : investigating the roles of Augmin, Kinesin-10 and Kinesin-4

• Auteur / Autrice : Céline Pugieux
• Direction : Michel Labouesse, François Nédélec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 12/03/2014
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Claude Antony
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Izabela Sumara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carsten Janke, Isabelle Vernos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertations universitaires

Protéines associées aux microtubules

Dactylèthre du Cap

Microtubules

Tubulines

Morphogenèse

Cytologie moléculaire

Méiose

Mots clés libres

Microtubule

Fuseau méiotique

Micro-motifs de chromatine

Extraits d’oeufs de Xénope

Augmin

Kinesine-4

Kinesine-10

Microtubule

Meiotic spindle

Chromatin micropatterns

Xenopus egg extracts

Augmin

Kinesin-4

Kinesin-10

Résumé

La division cellulaire est essentielle pour la survie de chaque être vivant. Au cours de ce processus, les chromosomes de la cellule en division sont transmis aux deux cellules filles. La répartition des chromosomes est orchestrée par une structure cellulaire transitoire appelée fuseau mitotique (ou fuseau méiotique dans les cellules reproductrices). Le fuseau est composé de microtubules, de nombreuses protéines et de moteurs moléculaires, qui interagissent de manière complexe et précise aboutissant à l’organisation d’une structure bipolaire dynamique. Comme certains mécanismes moléculaires restent mal compris, nous avons choisi d'aborder la question de l'assemblage du fuseau méiotique dans des extraits d'oeufs de grenouille. Xenopus laevis est un organisme modèle car il est proche, d’un aspect phylogénétique, de l'homme, et il est particulièrement adapté à l’étude de la division cellulaire. Nous avons également utilisé une méthode in vitro (appelée spindle array ou puce à fuseaux) qui a été développée au sein du groupe de recherche auparavant, et qui offre certains avantages par rapport aux approches existantes. Une puce à fuseaux est composée de billes recouvertes de chromatine immobilisées selon des micro-motifs géométriques obtenus selon une technique d’impression par microcontact. L'assemblage des fuseaux méiotiques a été visualisé par microscopie confocale à fluorescence. Grâce à ces outils, nous avons, lors d’un premier projet, abordé le rôle de l’Augmin dans l'assemblage des fuseaux. L’Augmin est un complexe protéique récemment identifié grâce à son hypothétique rôle dans la nucléation de microtubules à partir de microtubules existants. Après déplétion de l’Augmin, nous avons constaté que la nucléation des microtubules était réduite et que les fuseaux avaient une morphologie anormale. De plus, ces derniers qui étaient essentiellement multipolaires sont progressivement devenus bipolaires grâce à une voie de nucléation des microtubules, découverte lors de notre étude, émanant des pôles acentrosomaux et qui est indépendante de l’Augmin. Nos résultats révèlent que l’Augmin est essentiel pour l’assemblage et la bipolarité du fuseau acentrosomal. Au cours d’un second projet, nous avons étudié les fonctions des chromokinésines kinésine-4 (Xklp1) et kinésine-10 (Xkid) dans l'assemblage des fuseaux et leurs mouvements. Xkid participe à la force d’éjection polaire nécessaire à la congression des chromosomes alors que Xklp1 contribue principalement à la régulation de la dynamique des microtubules. En étudiant l'assemblage de fuseaux dans des extraits après déplétion de Xkid, Xklp1 ou les deux, nous avons démontré que Xkid limite la dynamique des mouvements longitudinaux des fuseaux, contribue à la mise en place de la bipolarité et régule la longueur des fuseaux. Nous avons également quantifié la cinétique de nucléation des microtubules et confirmé le rôle de Xklp1 dans la régulation de la dynamique des microtubules. L’ensemble de nos travaux contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes d’assemblage du fuseau méiotique et confirme la pertinence de notre méthode pour l'étude de sa morphogenèse.

Cell division is essential for the survival of every living organism. During this process, the chromosomes of the dividing cell are transmitted to the two daughter cells. The partition of the chromosomes is orchestrated by a transient sub-cellular structure called the mitotic spindle (or meiotic spindle in gamete cells). The spindle is composed of microtubules, numerous proteins and molecular motors, which interact in an intricate and yet precise manner leading to a highly dynamic and complexstructure. As some molecular mechanisms remain elusive, we have chosen to address the question of meiotic spindle assembly in Xenopus egg extracts. Xenopus laevis is a model system that is evolutionary close to human, and suitable for cell division studies. We have combined this with an in vitro assay - spindle array - which we developed prior to this work, and which provides advantages over existing approaches. A spindle array is composed of chromatin-coated beads that are immobilized according to geometrical patterns obtained by microcontact printing. The assembly of meiotic spindles wasvisualized by time-lapse fluorescence confocal microscopy. Using these tools, we first addressed the role of augmin in the assembly of meiotic spindles. Augmin is a recently identified protein complex that has been hypothesized to induce microtubule nucleation from the side of preexisting microtubules. By depleting augmin, we found that microtubule nucleationwas reduced and that spindles were morphologically impaired. Spindles were predominantly multipolar but finally reached bipolarity as a result of a newly uncovered augmin-independent microtubule nucleation pathway from acentrosomal poles. Our results thus reveal that augmin is essential for the proper establishment of the microtubule scaffolding and the bipolarity ofacentrosomal spindles. Secondly, we investigated the functions of the chromokinesins kinesin-4 (Xklp1) and kinesin-10 (Xkid)in acentrosomal spindle architecture and motions. Xkid plays a major role in the polar ejection forces leading chromosome movements during congression while the main function of XKlp1 is to regulate microtubule dynamics. We studied spindle assembly in depleted extracts and we report that Xkid limits the dynamics of spindle longitudinal movements, contributes to spindle bipolarity and affects spindle length while XKlp1 controls the spindle microtubule mass. Altogether these findings contribute to a better understanding of meiotic spindle assembly and confirm the pertinence of our method to study spindle morphogenesis.