Mécanisme contrôlant l'oscillation de la myosine basale au cours de l'élongation du tissu de Droso-phila

Controlling mechanism of basal myosin oscillation in epithelial cells during Drosophila tissue elongation

• Auteur / Autrice : Xiang Qin
• Direction : Xiaobo Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 22/02/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drosophiles

Élongation (biologie moléculaire)

Myosines

Mots clés libres

Drosophile

Actomyosine

Oscillation

Adhérence cellule

Matrice

Adhérence cellule

Cellule

Elongation du tissu

Optogénétique

Drosophila

Actomyosin

Oscillation

Cell-matrix adhesion

Cell-cell adhesion

Tissue elongation

Résumé

La morphogenèse des tissus dans les organismes multicellulaires est très importante pour le développement et certaines pathologies. La morphogenèse tissulaire est dirigée par des forces bio-mécaniques générées par des moteurs moléculaires tels que la myosine et transmis via le cytosquelette et les structures d'adhésion à l'intérieur et entre les cellules. La contractilité de la myosine, souvent en mode oscillatoire, a été étudiée principalement au niveau du domaine apical des cellules épithéliales au cours du développement mais très peu au niveau de leur domaine basal. L'oscillation de la myosine basale est importante pour le contrôle de l'élongation du tissu durant l'oogenèse chez la Drosophile. Bien que la voie Rho1-ROCK-myosin-MBS soit connue pour contrôler l'activité de la myosine, le mécanisme précis de ce contrôle n'a pas été élucidé. Le but de mon projet de thèse est de répondre à deux questions : Quels sont les facteurs en amont de cette voie ? Comment cette voie de signalisation crée et maintient l'oscillation de la myosine ? 1) Contrairement à ce qui est déjà connu, Je me suis intéressé à l'effet des adhésions cellule-cellule et cellule-matrice dans le contrôle des voies de signalisation gouvernant l'oscillation de la myosine basale. Les adhésions cellule-matrice, mais pas les adhésions cellule-cellule, sont positivement corrélées avec l'intensité et la polarité dorso-ventrale de la myosine, indiquant que les adhésions cellule-matrice pourraient être les facteurs en amont de la voie Rho1-myosine. Les adhésions cellule-matrice régulent positivement l'activité de Rho1 près des jonctions et gouvernent les flux de ROCK et myosine à l'intérieur du domaine median, contrôlant ainsi l'élongation du tissu. D'une autre manière, les adhésions cellule-cellule affectent indirectement les flux de ROCK and myosine en contrôlant la distribution subcellulaire de ROCK et du réseau d'actomyosine. L'inhibition des adhésions cellule-cellule, qui a un effet mineur sur l'élongation du tissu, provoque la redistribution des adhésions cellule-matrice et des filaments F-actin entrainant le chargement de la myosine à différentes positions. 2) J'ai montré que l'oscillation de la myosine basale dépend peu de la tension corticale de l'actomyosine : l'inhibition du chargement de la myosine sur les filaments d'actine n'affecte pas le flux de myosine alors qu'il bloque fortement le cycle périodique des contractions/relaxations de la cellule indiquant que l'oscillation est principalement due à une réaction biochimique plutôt qu'à une tension corticale. Au cours de l'oscillation de la myosine, les protéines Rho1 et leur activité sont principalement distribuées et enrichies au niveau et près des jonctions basales, et le contrôle majeur de cette oscillation est le flux des signaux ROCK qui diffusent des jonctions basales au cortex medio-basal. Ce mouvement de ROCK est initié grâce à une interaction transitoire entre ROCK et Rho1 actif au niveau et près des jonctions basales, conduisant ainsi à l'ouverture et activation de la kinase ROCK. Au cours de ce mouvement, l'activation de ROCK permet l'accumulation et l'amplification des signaux ROCK; Cette amplification entraîne la phosphorylation de la myosine, qui ensuite génère la redistribution dynamique de la phosphatase MBS. Enfin, l'enrichissement des signaux MBS arrête les signaux ROCK et myosine. Dans ces deux études, nous avons construit un outil optogénétique confirmant les différentes étapes de l'oscillation de la myosine basale. L'ensemble de ces résultats démontrent que le mécanisme contrôlant l'oscillation de la myosine basale nécessite une réaction biochimique, et met en évidence deux contrôles diffèrent de cette oscillation par les adhésions cellule-cellule et les adhésions cellule-matrice.

Tissue morphogenesis in multicellular organisms is very important in both development and human disease. Tissue morphogenesis is driven by bio-mechanic force that is normally generated by molecular motors such as myosin and transmitted via cytoskeleton and adhesion structures within and between cells. Myosin contractility, often as an oscillatory pattern, has been studied mainly in apical but less in basal domains of epithelial cells during development. Basal myosin oscillation is important in control of tissue elongation during Drosophila oogenesis. Although a signal cascade (Rho1-ROCK-myosin-MBS) has been known to regulate myosin activity, the detailed controlling mechanism is unclear. My project is aimed to address two questions: first, what is the upstream factor of this signal cascade? Second, how does this signal cascade create and maintain basal myosin oscillation? For this first question, I am interested in the effect of cell-cell and cell-matrix adhesion in control of this signal cascade governing basal myosin oscillation. Cell-matrix adhesion (Integrin and Talin), but not cell-cell adhesion (E-cadherin), is positively correlated with the intensity and Dorsal-ventral (DV) axis polarity of basal myosin oscillation, indicating that cell-matrix adhesion might be the upstream control of Rho1-myosin signal cascade. Cell-matrix adhesion positively regulates the Rho1 activity near junction and governs the pulsed ROCK and myosin signals within basal-medial domain, thus strongly controlling tissue elongation. Differently, cell-cell adhesion indirectly affects the ROCK and myosin pulses through controlling the subcellular distribution of ROCK and actomyosin network. Inhibition of cell-cell adhesion results in the redistribution of cell-matrix adhesion and F-actin filaments leading to different position of myosin loading, which plays minor effect on tissue elongation. For the second question, I unraveled that basal myosin oscillation is barely dependent on actomyosin cortical tension: inhibition of myosin loading to F-actin filament seems not to affect basal pulsatile myosin flows, while it strongly blocks the periodic cycle of cell contraction and relaxation at basal surface, thus indicating that oscillation is mainly from biochemical reaction rather than cortical tension. This observation highlighted that biochemical reaction is the main control of oscillation occurrence. During basal myosin oscillation, Rho1 proteins and Rho1 activity are mainly distributed and enriched at and near basal junction and the major control of basal myosin oscillation is the flow movement of oscillatory ROCK signals from basal junction to medio-basal cortex. This ROCK flow movement is initiated from the transient interaction of ROCK with active Rho1 at and near basal junction, thus leading to the opening and activation of ROCK kinase capability. During the membrane-medial flow movement, ROCK kinase activity mediates the accumulation and thus the amplification of ROCK signals; this positive signal amplification turns on the phosphorylation of myosin regulatory light chain (MRLC), which governs the dynamic redistribution of MBS. Finally, enriched MBS signals shut off both ROCK and myosin signals. In both study, an optogenetic tool named as LARIAT was built up in vivo to confirm the various status of basal myosin oscillation. Altogether, these results demonstrated two different controls of basal actomyosin signals by cell-matrix adhesion and cell-cell adhesion, and further demonstrated the underlying mechanism of basal myosin oscillation at the biochemical levels.