Unravelling the role of Nuclear Membrane dynamics in the behaviour of cancer cells : A multidisciplinary approach using cell biology, advanced imaging and biophysics

par Régine Dazzoni

Thèse de doctorat en Chimie Physique

Sous la direction de Erick Joël Dufourc et de Banafshé Larijani.

  • Titre traduit

    Décryptage du rôle de la dynamique des membranes nucléaires afin de comprendre le comportement des cellules cancéreuse


  • Résumé

    Des malformations de l’enveloppe nucléaire sont observées dans des maladies de dystrophie musculaire ainsi que dans certains types de cancer tels que le cancer du sein ou du rein. Les mécanismes impliqués dans le maintien de la morphologie de l’enveloppe nucléaire sont basés sur des interactions protéo-lipidiques. Il a été démontré récemment que les propriétés physiques de lipides spécifiques jouent un rôle dans le processus de formation de l’enveloppe nucléaire chez le modèle de l’oursin. Afin de comprendre l’implication des lipides dans la régulation de l’architecture de l’enveloppe nucléaire nous avons utilisé les méthodes quantitatives de spectrométrie de masse et de résonance magnétique nucléaire (RMN) afin d’étudier la composition lipidique et les propriétés dynamiques de l’enveloppe nucléaire. L’extraction de noyaux a été effectuée à partir de cellules humaines de rein, les HEK 293T. Une extraction physique basée sur un traitement de pression et un gradient de sucrose a été optimisée afin d’obtenir une large quantité de noyaux intacts (lipides de l’enveloppe nucléaire) requis pour nos expériences. Ces noyaux purifiés comprennent un minimum de débris cellulaires, de réticulum endoplasmique et de l’appareil de golgi. Les lipides nucléaires sont ensuite extraits en utilisant une méthode Folch modifiée. Des expériences de RMN des liquides ont montré que l’enveloppe nucléaire était composée de nombreux types de phospholipides et dont la phosphatidylcholine était le lipide majoritaire. Par ailleurs, nous avons observé une grande quantité de phosphatidilinositol en comparaison avec d’autres types de membranes. Les expériences de spectrométrie de masse ont permis de mettre en évidence que la membrane nucléaire était composée majoritairement de lipides très insaturés et de chaines comportant en moyenne 34 atomes de carbone. Les analyses de RMN du solide effectuées sur des membranes reconstituées à partir des lipides nucléaires ont permis de mettre en évidence des propriétés physiques atypiques. La température de transition de phase fluide-gel est particulièrement faible et large à -10°C ±15°C. Ce phénomène est certainement dû à la présence de nombreuses espèces de lipides et de nombreuse insaturations. Par ailleurs, à 25°C, les membranes reconstituées de lipides nucléaires sont plus rigides que des membranes modèles classiques ce qui implique une plus large épaisseur de membrane. Enfin, les liposomes de membranes reconstituées ont montré une très importante déformation en ellipsoide de type prolate, dans les champs magnétiques, ce qui est particulièrement rare pour des membranes biologiques et ce qui suggère une importante élasticité de courbure de la membrane.


  • Résumé

    Muscular dystrophy diseases, breast and kidney cancers are linked to malformation of the nuclear envelope (NE). Mechanisms involved in the maintenance of NE morphology are based on proteo-lipid interactions. Recently, the physical properties of specific lipids has highlighted their essential role in NE assembly process of a sea urchin model. To provide molecular insight in how the nuclear architecture is regulated, we used Mass spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) as quantitative methods to investigate the lipid composition and the dynamics of the NE. Nuclei extraction were performed from HEK 293T human kidney cells. A physical extraction based on a pressure treatment and a sucrose gradient was used and improved considerably the nuclei yield, and afforded obtaining a high quantity of intact nuclei (NE lipids) required for experiments, with a minimum of cell debris, or the ER and Golgi compartments. The nuclear lipids were then extracted from the pure nuclei using a modified Folch method. Liquid-state NMR experiments showed that the NE is composed of a complex mixture of phospholipids and with phosphatitylcholine present in a higher proportion compared to other membrane organelles. Furthermore, an unusual proportion of phosphatidylinositol has been found at the NE. Mass spectrometry experiments have shown that the composition of phospholipids is dominated by species with greatky unsaturated chains with an average length of 34 carbons. Reconstructed nuclear lipid extract membranes were analysed by solid-state NMR and exhibit atypical physical properties. The lamellar gel-fluid phase transition temperature was found very low and broad at -10  15°C, possibly due to the presence of numerous lipid species and unsaturated acyl chains. Furthermore, at 25°C, reconstructed nuclear lipid membrane was found to be more rigid than classical model membranes suggesting a larger bilayer thickness. Finally, reconstructed nuclear lipid liposomes have shown a very important prolate deformation in a magnetic field, which is unusual for biological membranes and suggests an important curvature elasticity for the membrane.


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