Génétique et mécanique des cellules souches apicales caulinaires

The genetics and mechanics of stem cells at the Arabidopsis shoot apex

• Auteur / Autrice : Léa Rambaud-Lavigne
• Direction : Pradeep Das
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (Lyon ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Reproduction et Développement des Plantes (Lyon ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Laufs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pradeep Das, Patrick Laufs, Angela Hay, Chloé Zubieta, Marie Monniaux, Olivier Hamant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angela Hay, Chloé Zubieta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Méristèmes apicaux

Arabidopsis thaliana

Cellules souches

Morphogenèse

Biologie du développement

Mots clés libres

Développement

Morphogenèse

Cellules souches

Arabidopsis thaliana

Méristèmes apicaux

Biomécanique

Development

Morphogenesis

Stem cells

Arabidopsis thaliana

Apical Meristems

Biomechanics

Résumé

Les organes aériens des plantes sont générés par le méristème apical caulinaire (MAC), dont la mise en place et le maintien ont été largement étudiés. Alors qu’un vaste réseau de gènes assure une régulation robuste de la population de cellules souches, deux gènes se distinguent ; CLAVATA3 (CLV3) et WUSCHEL (WUS). CLV3 s’exprime dans les cellules souches et code pour un peptide signal dont la liaison à des récepteurs transmembranaires mène à la sous-régulation de WUS. Ce dernier code pour un facteur de transcription dans le centre organisateur sous-jacent. En retour, WUS active directement l’expression de CLV3 et l’équilibre entre ces deux molécules est primordial pour la restriction de la population de cellules souches. La perte d’activité de CLV3 conduit à une augmentation de la taille du MAC, tandis que la perte d’activité de WUS abolit le MAC. Selon le modèle actuel, l’apex élargi des mutants clv3 est composé de cellules souches en sur-prolifération. Précédemment, notre groupe a couplé la microscopie à force atomique (mesurant la rigidité cellulaire) à la microscopie confocale (déterminant l’identité cellulaire) et a montré que l’identité des cellules souches est corrélée à une rigidité plus élevée. Dans cette thèse, je montre que les MAC clv3 ont des défauts d’organisation et de mécanique puisque leurs cellules sont moins rigides que ce que prédit le modèle, suggérant que les MAC clv3 diffèrent mécaniquement des cellules souches. J’examine cette contradiction en utilisant un ensemble de gènes exprimés dans différents domaines du MAC pour montrer que les MAC clv3 sont des mosaïques de cellules exprimant simultanément des gènes indiquant un état indifférencié et d’autres indiquant des états de différenciation. De plus, je montre que la composition cellulaire du MAC clv3 diffère de celle du sauvage, que la taille des cellules est dérégulée et que la surface du MAC clv3 est altérée.Notre hypothèse est que les cellules des MAC clv3 subissent un phénomène de ‘stop-start’, au cours duquel leur identité oscille entre cellule souche et cellule différenciée, conduisant à des changements morphométriques à l’origine des phénotypes clv3. En résumé, le ré-examen du rôle que joue CLV3 dans la morphogenèse au niveau du MAC, et donc du modèle CLV-WUS d’homéostasie des cellules souches, me mène à la conclusion que notre vision actuelle est limitée et que les paramètres mécaniques sont à prendre en compte pour une compréhension plus exhaustive des cellules souches.

The shoot apical meristem (SAM) gives rise to above-ground organs and its establishment and homeostasis have been extensively studied. While a vast genetic network ensures the robust regulation of the stem cell population, two genes, CLAVATA3 (CLV3) and WUSCHEL (WUS), are key players. CLV3 is expressed in stem cells and encodes a secreted peptide to signal via transmembrane receptors to downregulate WUS, which encodes a transcription factor in the underlying organising centre. In turn, WUS directly activates the expression of CLV3 and the balance between the two molecules restrains the stem cell pool. The loss of CLV3 activity leads to an increase in SAM size, whereas the loss of WUS activity abolishes the SAM. The prevailing model is that the enlarged clv3 apex is composed of over-proliferating stem cells.Previously, our group coupled atomic force microscopy (to measure cell rigidity) and confocal microscopy (to determine cell identity) to show that stem cell identity correlates with increased stiffness. In this thesis, I show that in addition to altered mechanics, enlarged clv3 SAM also display severe defects in cell organisation. I find that cells in clv3 SAM are soft, instead of being stiff, as we had predicted in light of the model regarding the clv3 phenotype. Our data instead suggest that clv3 SAM differ mechanically from stem cells. I further investigate this contradiction using genetic markers for different domains of the SAM and show that clv3 SAM are in fact mosaic structures, made up of cells that simultaneously express genes that indicate an undifferentiated state and several that indicate multiple states of differentiation. Additionally, I show that the cellular makeup of mutant SAM is significantly altered from the wild type, with a misregulation of cell size in the outer cell layers. Furthermore, mutant SAM also display altered surface smoothness from wild-type SAM.Our working hypothesis is that in clv3 mutant SAM, cells undergo a constant stop-start phenomenon, where they cycle between stemness and specification, resulting in cell-level morphometric changes that generate the characteristic clv3 phenotypes. In summary, during my thesis, I have re-examined the role of CLV3 in morphogenesis at the SAM, and thus the CLV-WUS model of stem cell homeostasis. I conclude that the existing view in the field is limited, and that mechanical parameters need to be considered for a fuller understanding of stem cells.