Rôle des moteurs moléculaires dans l'établissement de la polarité cellulaire

Role of motor proteins in cell polarity establishment

• Auteur / Autrice : Bruno Latge
• Direction : Bruno Goud, Kristine Schauer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 14/09/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Compartimentation et dynamique cellulaires (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Verlhac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Goud, Kristine Schauer, Chiara Zurzolo, Manuel Théry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edgar Gomes, Antoine Guichet

Mots clés

Mots clés libres

Polarité cellulaire

Kinésines

Positionnement des organites

Micro-Patrons

Architecture cellulaire

Cell polarity

Kinesins

Organelle positioning

Micropatterns

Cell architecture

Résumé

La polarité cellulaire est une caractéristique fondamentale du fonctionnement des cellules et de l’homéostasie tissulaire. Elle se définit par une distribution asymétrique des constituants cellulaires le long d’un axe de polarité et est le résultat d’une interaction complexe entre des mécanismes intrinsèques et extrinsèques. Les voies de signalisation œuvrant pour l’établissement de la polarité cellulaire et l’organisation anisotrope du cortex cellulaire ont été intensément étudiés depuis des décennies. Cependant, l’implication du positionnement des organites dans la mise en place de la polarité cellulaire et les mécanismes sous-jacents restent encore méconnus. Les moteurs moléculaires sont responsables de l’attachement des organites au cytosquelette et de leurs mouvements. Ils jouent aussi des rôles prépondérants dans l’établissement et le maintien de la polarité cellulaire. Cette thèse a pour but d’étudier les mécanismes moléculaires par lesquels les protéines motrices de la famille des kinésines régulent le positionnement des organites et leur rôle dans la mise en place de la polarité cellulaire. Nous avons combiné l’utilisation de micro-patrons contrôlant l’adhésion des cellules et l’analyse quantitative de l’organisation intracellulaire pour identifier les kinésines impliquées dans le positionnement des organites. Les résultats de notre crible de petits ARN interférents ciblant 43 kinésines humaines suggérèrent un rôle important des kinésines dans la distribution des organites intracellulaires le long de l’axe de polarité antéro-postérieur. Le phénotype le plus marquant a été observé après inhibition de l’expression de la kinésine-1 Kif5B. En permutant les organites autour du centrosome, l’organisation des cellules micro-patronnées en forme d’arbalète était inversée. De plus, lors de la migration cellulaire, l’absence de Kif5B ralentissait le réalignement des organites le long de l’axe de polarité antéro-postérieur, survenant suite à un changement de direction. Ces cellules se sont aussi révélées être moins persistantes. Nous avons alors émis l’hypothèse que les mouvements d’organites induits par Kif5B s’intégraient dans une réponse cellulaire globale, liée à l’alignement des organites le long de l’axe de polarité antéro-postérieur. Disséquant le mécanisme, nous avons montré que les défauts de positionnement des organites observés en l’absence de Kif5B étaient indépendants de l’organisation anisotrope du cortex cellulaire. Il était en revanche corrélé à une augmentation significative de la distance entre le noyau et le centrosome. Etonnamment, l’inhibition de l’expression de RanBP2, un partenaire de Kif5B localisé à l’enveloppe nucléaire, entrainait aussi la permutation des organites. Nous proposons un modèle selon lequel Kif5B, en lien avec RanBP2, coordonnerait le positionnement du noyau, en organisant une cage de microtubules autour. De plus, nous avons mis en évidence le rôle indirect de KifC3 dans le positionnement des organites intracellulaires. Révélé dans notre crible des kinésines, KifC3 contrôle le mouvement centripète des lysosomes, mais localise au centrosome. Le recrutement de KifC3 au centrosome a été caractérisé. Nous avons observé une accumulation préférentielle de KifC3 au centriole père qui était dépendant de Cep170. Nous avons alors proposé que KifC3 soit localisé aux appendices subdistaux du centrosome, grâce à Cep170, et régule l’ancrage des microtubules. KifC3 agirait alors sur l’organisation globale du cytosquelette de microtubules. Ensemble les résultats de cette thèse ont permis d’attirer l’attention sur les fonctions cellulaires générales de deux kinésines, Kif5B et KifC3, dans le control de l’organisation intracellulaire sur laquelle s’appuie la polarité cellulaire.

Cellular polarity is instrumental for normal cell function and tissue homeostasis. It is defined by an asymmetrical distribution of cellular constituents along a polarity axis and results from a complex interplay of intrinsic and extrinsic mechanisms. Cell polarity signaling and cortex anisotropy have been extensively studied in the last decades. However, the role of organelle positioning in cell polarity establishment and the mechanisms by which polarized positioning is achieved are still not well understood. Molecular motor proteins link organelles to cellular cytoskeleton and play an essential role in cell polarity establishment and maintenance. This PhD thesis aimed at the study of the molecular mechanisms by which motors of the kinesin family regulate polarized organelle positioning and their role in cell polarity establishment. We took advantage of our approach that combines cell micropatterning and quantitative analysis of the intracellular organization to identify kinesins that contribute to organelle positioning. Results from our siRNA-based screening targeting 43 members of the kinesin family in human suggested a central role of kinesins in front-rear polarized alignment of intracellular organelles. The strongest phenotype was observed upon kinesin-1 Kif5B depletion that inverted the organization of crossbow-shaped micropatterned cells by flipping organelles around the centrosome. Additionally, Kif5B-depleted cells were constrained in their abilities to re-align organelles along the front-rear polarity axis after directional changes during migration and were less persistent. We therefore hypothesized that Kif5B-dependent organelle movement integrates into a global cellular response, relying on the polarized organelle alignment along the front-rear axis. Dissecting the mechanism, we showed that organelle positioning defects upon Kif5B depletion were independent of the cell cortex anisotropy and correlated with substantial increase in the distance between the nucleus and the centrosome. Unexpectedly, depletion of the Kif5B-interacting partner RanBP2, which is localized at the nuclear envelope, copied the organelle inversion phenotype. We propose a model in which Kif5B, together with RanBP2, controls nucleus positioning by organizing a microtubule scaffold around it. We have additionally evidenced the indirect role of KifC3 in organelle positioning. Identified as a hit in our screen analysis, KifC3 controled the centripetal movement of lysosomes, but localizes to the centrosome. Characterizing the recruitment of KifC3 to the centrosome, we showed its preferential accumulation at the mother centriole that was dependent on Cep170. We propose that KifC3 is localized at the subdistal appendages of centrosomes through Cep170 and regulates microtubule anchorage, and thus,the global microtubule organization. Together the results of this PhD shed light on the global cellular functions of two kinesins, Kif5B and KifC3, in controlling the intracellular organization that supports cell polarity.