Intracellular transport complexes in cell division dynamics and epithelial tubules organization

Abstract

La division cellulaire est essentielle à l’organisation des tissus épithéliaux prolifératifs.Elle doit donc être finement régulée, à la fois dans l’espace et dans le temps, de l’échelle cellulaire à l’échelle tissulaire pour assurer l’organisation et le maintien de l’intégrité des tissus. Si de nombreux acteurs moléculaires essentiels à la division cellulaire ont été étudiés depuis des années, il reste encore beaucoup à faire pour caractériser l’ensemble des complexes protéiques qui régulent finement chaque étape de la division. De plus, l’influence de la division cellulaire sur l’organisation des tissus épithéliaux tubulaires in vivo est encore trop peu étudiée.Les tubules épithéliaux qui se composent d’une monocouche polarisée courbéeentourant une cavité centrale unique constituent les unités fonctionnelles de nombreuxorganes, notamment le rein. Comprendre comment la division cellulaire influence lecomportement de l’épithélium tubulaire en 3 dimensions (3D) et in vivo est donc de laplus haute importance.Les protéines de la machinerie de transport intra-flagellaire (IFT) ont longtemps étéétudiées pour leurs rôles dans l’assemblage et le maintien du cil primaire ainsi que pour leur contribution à l’organisation des tubules rénaux. Cependant, divers travaux, dont ceux de l’équipe, ont montré que les protéines IFT ont aussi des rôles non-ciliaires, notamment au cours de la division cellulaire pour permettre l’orientation du fuseau mitotique. Au regard des divers rôles extra-ciliaires découverts ces dernières années, lesprotéines IFT pourraient être impliquées dans d’autres mécanismes essentiels à ladivision cellulaire et à l’intégrité des tissus.Dans ce contexte, l’objectif de ma thèse a consisté à caractériser de nouveauxmécanismes moléculaires contrôlant la dynamique des cellules en division maiségalement à étudier la contribution de la division cellulaire à l’organisation des tubulesépithéliaux. Deux aspects principaux ont été abordés : (1) la caractérisation de nouveaux rôles rôles pour les protéines IFT au cours de la division cellulaire, (2) l’étude de l’impact de perturbations de la cytokinèse, la dernière étape de la division cellulaire, sur l’organisation de tubules rénaux.En utilisant des cultures 2D et 3D de cellules rénales, mon travail de thèse a permis lacaractérisation de deux nouveaux rôles extra-ciliaires pour les protéines IFT au cours de la division cellulaire. En effet, les protéines IFT jouent un rôle dans l’organisation et la dynamique du fuseau mitotique en début de mitose mais également dans l’organisation du sillon de clivage en cytokinèse. D’autre part, en utilisant l’embryon de poisson zèbre comme modèle d’étude de l’épithélium tubulaire rénal in vivo, mon travail a également permis de caractériser la contribution de la cytokinèse à l’organisation des tubules rénaux, et plus précisément au maintien de la taille de la lumière.Globalement, l’ensemble de ces travaux ont révélé deux nouvelles fonctions desprotéines IFT au cours de la division cellulaire : une fonction en début de mitose qui fournit de nouveaux éléments sur leur implication dans l’intégrité et la dynamique du fuseau mitotique et un rôle en anaphase, en interaction avec la kinésine MKLP2, dans laconstriction du sillon de clivage. Ce mécanisme est essentiel à la bonne organisationspatiale de la cytokinèse ainsi qu’au bon positionnement de la lumière dans les culturesde cellules rénales en 3D. Ces travaux ont également révélé l’importance d’une régulation précise de la contractilité cellulaire au sillon de clivage en cytokinèse pour le maintien de la taille de la lumière des tubules de rein in vivo en contrôlant la ré-intercalation des cellules filles en sortie de division.Cell division is essential for the organization of proliferative epithelial tissues. It musttherefore be tightly regulated, both in space and in time, from the cellular scale to thetissue scale to ensure tissue integrity organization and maintenance. If cell division hasbeen studied for a long time, a lot remains to be done to characterize all the molecularplayers that tightly control each stage of cell division. Moreover, the contribution of celldivision to epithelial tubule organization in vivo has yet to be fully characterize.Epithelial tubules, which consist of a curved polarized monolayer surrounding a singlecentral cavity, are the functional units of many organs, including the kidney.Understanding how cell division influences the behavior of tubular epithelium in 3dimensions (3D) and in vivo is therefore important.Proteins of the intraflagellar transport (IFT) machinery have long been studied for theirroles in primary cilium assembly and maintenance as well as for their contribution tokidney tubule organization. However, different studies, including ours, showed that IFTproteins also have non-ciliary roles, especially during cell division in mitotic spindleorientation. In view of the various extra-ciliary roles discovered in recent years, IFTproteins could be involved in other mechanisms essential for cell division and tissueintegrity.In this context, the objective of my thesis was to characterize new molecular mechanisms controlling cell division dynamics but also to study the contribution of cell division to epithelial tubule organization. Two main aspects were addressed: (1) the characterization of new roles for IFT proteins during cell division, (2) the study of the impact of cytokinesis perturbations, the last step of cell division, on kidney tubule organization.Using 2D and 3D cultures of kidney cells, I characterized two new extra-ciliary roles forIFT proteins during cell division. Indeed, IFT proteins play a role in mitotic spindleorganization and dynamics at the start of mitosis but also in cleavage furrow ingression in cytokinesis. On the other hand, using the zebrafish embryo as a model to study kidney tubular epithelium in vivo, I characterized the contribution of cytokinesis to kidney tubule organization, and more precisely to lumen size maintenance.Overall, this work has revealed two new functions of IFT proteins during cell division: afunction at the start of mitosis which provides new information on their involvement inmitotic spindle integrity and dynamics and a role in anaphase, interacting with the kinesin MKLP2, in cleavage furrow ingression. This mechanism is essential for proper spatial organization of cytokinesis as well as proper lumen positioning in 3D kidney cell cultures. This work has also revealed the importance of precise regulation of cell contractility during cleavage furrow ingression in cytokinesis for maintaining lumen size, in kidney tubules, in vivo, by controlling daughter cell re-intercalation at the exit of cell division