Méiose centrosomale de l'ovocyte chez le nématode parthénogénétique rhabditophanes diutinus

Centrosomal oocyte meiosis in the parthenogenetic nematode rhabditophanes diutinus

• Auteur / Autrice : Aurélien Perrier
• Direction : Julien Dumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Reproduction
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• 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 : Marie Delattre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Guichard, Karine Van Doninck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-René Huynh, Julie Plastino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méiose

Ovocytes

Parthénogénèse

Centrosomes

Mots clés libres

Centrosome

Parthénogenèse

Ovocyte

Polarité

Méiose

Centrosome

Parthenogenesis

Oocyte

Polarity

Meiosis

Résumé

La prolifération des espèces se reproduisant sexuellement repose sur des cellules spécialisées -les gamètes (le spermatozoïde chez le mâle, l'ovocyte chez la femelle)- produits fonctionnels d'une division cellulaire particulière nommée méiose. Même si la méiose est très conservée chez les eucaryotes, une diversité de mécanismes existe (particulièrement dans les ovocytes). L'étude de ces mécanismes peut permettre d'apprécier l'importance évolutive de la méiose. Au cours de la division cellulaire, un fuseau composé de microtubules permet l'alignement et la ségrégation des chromosomes. Dans les cellules somatiques et les spermatocytes, les microtubules émanent des centrosomes. Cependant, au cours de la méiose femelle, dans la plupart des espèces incluant Caenorhabditis elegans (nématode de clade V), la ségrégation des chromosomes est précédée d'une étape d'élimination des centrosomes, par un mécanisme mal compris. Après fécondation, une transition de la méiose vers la mitose se déroule dans l'embryon, impliquant l'assemblage d'un fuseau mitotique à partir d'un centrosome dupliqué, hérité via le spermatozoïde. Ce centrosome est crucial dans la détermination de la polarité embryonnaire car il définit le pôle postérieur du zygote. Chez Rhabditophanes diutinus (nématode de clade IV), les embryons sont produits par parthénogénèse, sans spermatozoïdes. Ils assemblent pourtant un fuseau mitotique fonctionnel et présentant des centrosomes, dans un zygote apparemment polarisé. J'ai donc étudié l'origine des centrosomes zygotiques ainsi que le mécanisme d'établissement de la polarité dans cette espèce de nématode atypique. En parallèle, j'ai étudié l'organisation structurelle et fonctionnelle de l'appareil reproducteur de R. diutinus. Lors de ma thèse, j'ai montré, qu'à la différence de C. elegans où les centrosomes sont éliminés dès le stade diplotène, chez R. diutinus, les centrosomes persistent tout au long de l'appareil reproducteur. En combinant des approches de microscopie photonique et électronique, j'ai montré que le bras de gonade de R. diutinus est composé distalement de macronoyaux, suivi de noyaux de plus petite taille se cellularisant en partie proximale, et fournissant des ovocytes tout au long de la vie reproductive du nématode. En utilisant des anticorps développés au laboratoire, reconnaissant la protéine centriolaire de R. diutinus RdiSAS-4 et péricentriolaire RdiTBG-1, j'ai montré que les centrosomes sont maintenus dans l'ovocyte durant les divisions méiotiques. En absence de fécondation, la méiose I présente une cytokinèse avortée permettant de retenir les cinq chromosomes bivalents et les deux centrosomes dans l'ovocyte. Celle-ci est suivie d'une méiose II complète avec expulsion de dix chromatides et d'un centrosome dans le globule polaire. Le centrosome restant, transmis maternellement au zygote, forme après duplication les deux pôles du fuseau mitotiques. Finalement, en analysant les déterminants de polarité tel que la déformation corticale de la membrane, l'asymétrie corticale d'actomyosine et la distribution asymétrique de la protéine de polarité RdiPKC-3, j'ai montré que le centrosome hérité maternellement agit comme un signal d'induction de la polarisation zygotique. En conclusion, mes résultats démontrent, pour la première fois, une transmission centrosomale maternelle. Ils suggèrent également que dans les espèces parthénogénétiques, le centrosome hérité maternellement, assemblé et transmis dans la gonade, peut remplacer fonctionnellement son homologue hérité paternellement dans les espèces à reproduction sexuée.

Multiplication of sexually reproducing species relies on specialized cells -the gametes (spermatozoa in males and oocytes in females)- that are the functional products of a specific type of cell division called meiosis. Although meiosis is highly conserved in eukaryotes, deviations from the 'norm', especially in oocytes, are ubiquitous and may provide important insights into the evolutionary significance of the mechanism(s) of meiosis. During cell division, the alignment and segregation of chromosomes occur on a highly sophisticated spindle-shaped structure that is built from microtubules. In animal somatic cells and spermatocytes, microtubules are primarily assembled from the centrosomes. However, during the female meiosis of most animal species, including Caenorhabditis elegans (clade V nematode), chromosome segregation is preceded by a step of centrosome elimination, which occurs through a poorly understood mechanism. Then a transition from a meiotic to a mitotic mode of cell division occurs in the embryo after fertilization. This transition involves the assembly of a mitotic spindle by a duplicated sperm-inherited centrosome, which also defines the posterior pole of the zygote and is thus crucial for embryonic polarity. Strikingly, in a distantly-related clade IV nematode species, Rhabditophanes diutinus, embryos are generated in a sperm-independent manner through parthenogenesis and yet, they still assemble a functional and centrosomal mitotic spindle in a seemingly polarized zygote. I thus investigated the origin of the zygotic centrosomes and the mechanism of zygotic polarization in this non-model parthenogenetic nematode species. Concurrently, I also studied the undescribed anatomy and function of the R. diutinus germline. During my thesis, by immunofluorescent staining, I have shown that while centrosomes were eliminated during the diplotene stage in C. elegans adult gonad arms and in line with a previous study, they persisted throughout the germline of adult R. diutinus worms. Combining electron and fluorescent microscopy, I have shown that the R. diutinus gonad arm is composed of a distal population of macronuclei, followed by smaller nuclei that are cellularized proximally to generate oocytes throughout the entire nematode reproductive life. Using custom-designed antibodies against the R. diutinus centriolar protein RdiSAS-4 and the peri-centriolar gamma-tubulin RdiTBG-1, I have further shown that centrosomes were present in oocytes during the two meiotic divisions. In absence of fertilization, an abortive meiosis I cytokinesis retained the five bivalents and two centrosomes in the meiosis II oocyte. This was followed by a successful meiosis II with extrusion of ten sister chromatids and one centrosome. The remaining centrosome was maternally-transmitted to the zygote and, after duplication, formed the two poles of the mitotic spindle. Finally, by analysing polarity determinants, including cortical flow-induced membrane ruffling, actomyosin cortical asymmetry and asymmetric accumulation of the polarity protein RdiPKC-3, I have shown that the maternally-inherited centrosome could act as a symmetry-breaking cue and induce zygotic polarisation. Altogether, my results provide the first demonstration of a maternal transmission of centrosome in any species, and strikingly suggest that the maternally-inherited centrosome, assembled and transmitted through the gonad arm, can functionally replace its sperm-inherited counterpart in parthenogenetic nematodes.