Mécanismes d'orientation, de congression et de ségrégation des chromosomes dans l'ovocyte de Caenorhabditis elegans

Mechanisms of chromosome orientation, congression and segregation in Caenorhabditis elegans oocyte

• Auteur / Autrice : Mélanie Aubry
• Direction : Julien Dumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Reproduction
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• 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 : Lionel Pintard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefania Castagnetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Giet, Ariane Abrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ségrégation des chromosomes

Kinétochores

Méiose

Mots clés libres

Division cellulaire

Méiose

Kinétochores

Ségrégation des chromosomes

Cell division

Meiosis

Kinetochores

Chromosome segregation

Résumé

La méiose est une division cellulaire spécialisée permettant la formation des cellules sexuelles ou gamètes. Elle consiste en une étape de réplication du génome suivie de deux étapes successives de séparation du matériel génétique, durant lesquelles les chromosomes homologues puis les chromatides soeurs sont ségrégés, pour permettre l'haploïdisation du génome. La fidélité de ségrégation des chromosomes en méiose est essentielle afin d'éviter l'aneuploïdie, à l'origine de défauts de développement et d'avortements spontanés. Le fuseau de division, constitué de microtubules, est un acteur clef permettant de garantir la bonne répartition des chromosomes dans les cellules. Dans la plupart des cellules, des protéines associées aux microtubules (MAPs) et des complexes multiprotéiques s'assemblant sur les chromosomes appelés kinétochores, permettent l'interaction latérale ou de l'extrémité positive (end-on) des microtubules avec les chromosomes. Ces interactions sont cruciales pour l'orientation et l'alignement des chromosomes sur la plaque métaphasique en métaphase, ainsi qu'à la séparation physique des chromosomes en anaphase. De manière surprenante, dans les ovocytes du nématode Caenorhabditis elegans, les kinétochores ne sont pas indispensables à la séparation physique des chromosomes. Ils contrôlent par contre la fidélité du mécanisme de ségrégation et évitent l'aneuploïdie ovocytaire. Si le mécanisme, indépendant des kinétochores, de séparation physique des chromosomes mis en jeu dans l'ovocyte de C. elegans est bien caractérisé, le rôle et le mode d'action des kinétochores dans le contrôle de la fidélité de ségrégation reste indéterminé. Lors de ma thèse, j'ai combiné des approches de pertes de fonction de gènes clefs avec de l'imagerie photonique afin d'analyser la localisation et le rôle de différentes MAPs et protéines kinétochoriennes dans le contrôle de la fidélité de ségrégation des chromosomes dans l'ovocyte de C. elegans. J'ai développé une technique de microscopie sur ovocytes vivants spatialement et temporellement hautement résolutive en 4 dimensions permettant de suivre les chromosomes et les pôles du fuseau au cours de la première division méiotique chez C. elegans. J'ai démontré que les connexions latérales aux microtubules établies par le moteur microtubulaire dynéine et par la chromokinésine KLP-19 facilitent l'orientation et la congression des chromosomes au cours de la prométaphase. J'ai également démontré la présence d'attachements end-on médiés par le complexe kinétochorien Ndc80. Ces derniers induisent la mise sous tension des chromosomes et permettent leur alignement correct sur la plaque métaphasique. Cependant, ces connexions end-on ne sont pas essentielles pour assurer la ségrégation fidèle des chromosomes, démontrant, de manière surprenante, que la bi-orientation des chromosomes dans les ovocytes de C. elegans n'est pas essentielle. J'ai enfin observé que seule l'inhibition simultanée des connexions end-on médiées par le complexe Ndc80 et de la localisation de CLS-2 aux kinétochores récapitule le phénotype observé suite à la déplétion de KNL-1, la protéine plateforme des kinétochores. Je propose donc un modèle dans lequel le complexe Ndc80, qui tire sur les chromosomes en début d'anaphase, et CLS-2 aux kinétochores, qui permet la mise en place de forces de poussées entre les chromosomes, sont redondants afin d'assurer la ségrégation fidèle des chromosomes en méiose femelle dans l'ovocyte de C. elegans. Dans l'ensemble, mon travail a permis de caractériser un mécanisme atypique de ségrégation des chromosomes permettant d'assurer l'intégrité génétique des ovocytes chez le nématode C. elegans.

Meiosis is a specialized cell division allowing formation of sexual cells or gametes. A single step of genome replication is followed by two rounds of genetic material repartition, in which homologous chromosomes then sister chromatids are segregated, to ensure genome haploidisation. Chromosome segregation accuracy in meiosis is essential to avoid embryonic aneuploidy, which causes developmental defects and spontaneous abortions. The microtubule-based spindle is a key actor ensuring a correct distribution of chromosomes between daughter cells. In most cells, microtubules associated proteins (MAPs) and multiprotein complexes assembled on chromosomes called kinetochores, enable lateral interaction with chromosomes or end-on attachment with microtubule plus-ends. These interactions are crucial to orient and align chromosomes on the metaphase plate during metaphase, and for physical separation of chromosomes during anaphase. Surprisingly, in oocytes of the nematode Caenorhabditis elegans, kinetochores are not required for chromosome physical separation. However, they control segregation accuracy and ensure correct oocyte ploidy. While the mechanism of kinetochore-independent chromosome physical separation in C. elegans oocyte is well characterized, function and involvement of kinetochores for chromosome segregation accuracy is still unclear. During my PhD, I used a combination of loss of functions of key genes with live microscopy to analyze the localization and the function of different MAPs and kinetochore proteins for chromosome segregation accuracy in C. elegans oocytes. I developed a novel live imaging technique with high spatial and temporal resolutions in 4 dimensions on live oocytes. This method allows tracking of all chromosomes and the spindle poles throughout the first meiotic division in C. elegans. I demonstrated that lateral connections to microtubules established by the molecular motor dynein and the chromokinesin KLP-19 promote timely chromosome orientation and congression during prometaphase. I also showed that end-on connections, mediated by the kinetochore Ndc80 complex, are present. They apply tension on chromosomes and align them correctly on the metaphase plate. Strikingly, these end-on attachments are not required to ensure chromosome segregation accuracy, which surprisingly demonstrates that chromosome bi-orientation in C. elegans oocytes is not required for accurate segregation. I finally observed that the simultaneous inhibition of end-on connections mediated by the Ndc80 complex and the depletion of CLS-2 from kinetochores uniquely recapitulates the phenotype observed after depletion of the scaffold kinetochore protein KNL-1. Altogether, I propose a model where Ndc80 complex-mediated end-on attachments, that pull chromosomes at anaphase onset, and kinetochore CLS-2, that establishes initial microtubule-based pushing between chromosomes, are redundant to ensure chromosome segregation accuracy in female meiosis in C. elegans oocyte. Overall, my work highlighted an atypical mechanism of chromosome segregation to ensure genetic integrity in oocytes of C. elegans.