Caractérisation du rôle fonctionnel des sous-unités MEI-1 et MEI-2 dans la régulation de l'activité de coupure des microtubules de la Katanine chez C. elegans

Characterization of functional roles of MEI-1 and MEI-2 subunits in the regulation of Katanin microtubule-severing activity in C. elegans

• Auteur / Autrice : Eva Beaumale
• Direction : Nicolas Joly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement
• Date : Soutenance le 30/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Rouiller-Fabre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Rouiller-Fabre, Denis Chrétien, Benjamin Lacroix, Guillaume Romet-Lemonne, Virginie Stoppin-Mellet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Chrétien, Benjamin Lacroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Katanine

Méiose

Kinésines

Mots clés libres

Microtubule Severing Enzyme

Interaction enzyme-Substrat

Fuseau méiotique

C

Elegans

Microtubule Severing Enzyme

Microtubule binding

Meiotic spindle

C

Elegans

Résumé

Les microtubules sont des polymères dynamiques du cytosquelette essentiels à divers processus cellulaires tels que le transport intra-cellulaire, la migration ou la division cellulaire. Parmi les protéines régulatrices de leur dynamique, les « Microtubules Severing Enzymes » (MSE) sont des ATPases qui coupent les microtubules modifiant ainsi leur nombre, leur longueur et leur organisation en réseau. Un défaut d'activité de ces enzymes est associé à des pathologies humaines, telles que des maladies neurodégénératives ou de l'infertilité masculine. La famille des MSE comprend la Spastine, la Katanine et la Fidgetine. Leur mécanisme d'action est de plus en plus étudié, cependant le mode de régulation de leur activité n'est pas encore bien connu. Nous utilisons comme modèle la Katanine de C. elegans, dont l'activité est essentielle au cours de la méiose femelle pour assurer l'assemblage du fuseau méiotique. Cependant, cette même activité a aussi été décrite comme étant toxique en mitose au cours du développement embryonnaire. Afin de comprendre comment l'activité de la Katanine est régulée/contrôlée durant cette transition méiose-mitose, nous cherchons à déterminer comment l'enzyme interagit spécifiquement avec son substrat et comment la phosphorylation/déphosphorylation de l'enzyme module son activité enzymatique. Au cours ma thèse j'ai identifié plusieurs motifs d'interaction de la Katanine avec les microtubules in vitro dont les mutations modifient drastiquement l'activité de l'enzyme in vivo. De plus, j'ai déterminé que plusieurs tubulines sont spécifiquement ciblées par la Katanine pour l'interagir avec le microtubule. Ces résultats démontrent un mode d'interaction enzyme-substrat précis requis pour contrôler l'activité de la Katanine. D'autre part, en développant un outil fonctionnel nous permettant de suivre la localisation de la Katanine dans le ver entier, nous avons, pour la première fois, mis en évidence qu'après une réduction de sa quantité à la transition méiose-mitose, la Katanine reste présente sur les fuseaux mitotiques au cours du développement. Ce résultat inattendu soulève la question du rôle de la Katanine en mitose chez C. elegans. Nous avons aussi montré qu'à la transition méiose-mitose, l'activité de la Katanine est contrôlée par phosphorylation à deux niveaux : (i) les phosphorylations de la Katanine inhibent son activité enzymatique et (ii) sont suffisantes à son envoi à la dégradation. Mon travail de thèse met ainsi en évidence différents modes de régulation de l'activité de la Katanine permettant, à plus long terme et dans un but thérapeutique, de comprendre comment une suractivité enzymatique identifiée dans un contexte pathologique pourrait être contrôlée.

Microtubules are dynamic polymers of cytoskeleton, essential for diverse cellular events such as intracellular transport, cell division and cell migration. Among regulators of microtubule dynamics is the family of Microtubule-Severing Enzymes (MSE) consisting of ATPases able to sever microtubules in order to modulate their number, length and network organization. A defect of activity can cause severe human pathologies including neurodegenerative diseases and male infertility. MSE family comprises three members: Spastin, Fidgetin and Katanin. Their mechanism of action is well studied, but how their activity is regulated is not known. To answer this question, we are using C. elegans Katanin, whose activity is essential for meiotic spindle assembly during female meiosis, as a model. Its activity however essential for meiosis has been described as toxic for mitosis during embryonic development. In order to understand how Katanin activity is regulated and controlled during the meiosis-mitosis transition, we wanted to determine how Katanin binds specifically its substrate and how Katanin phosphorylation modulates its enzymatic activity. During my thesis, though combination of in vitro and in vivo approaches, I have identified two distinct Katanin microtubule-binding domains. Mutations of these domains are modifying Katanin activity. Moreover, I have determined that several tubulins are specifically targeted by Katanin to interact with microtubules. These results demonstrate a precise enzyme-subtract interaction required for Katanin activity during meiosis. By implementing, for the first time, a functional tool allowing us to follow Katanin localization in the whole worm, we have highlighted, that even if Katanin levels are drastically reduced during the meiosis-mitosis transition, they remain present in mitosis, specifically on the mitotic spindle during embryonic development. This unexpected result raises the question of Katanin roles during mitosis. We have also shown that, during the meiosis-mitosis transition, Katanin activity is controlled by phosphorylation at two levels: (i) phosphorylation of Katanin inhibits its enzymatic activity and (ii) is sufficient to send Katanin to degradation. My thesis work will contribute to highlight different Katanin modes of regulation allowing us, in the future and in therapeutic goal, to understand how an over-activity of MSE could be controlled in a pathological context.