Régulation de la division asymétrique chez C. elegans

Abstract

La division asymétrique est essentielle pour générer la diversité au cours du développement et permet aussi de réguler la balance entre renouvellement et différenciation des cellules souches chez l’adulte. Dans ces deux cas de figure, elle dépend respectivement d’une polarité intrinsèque ou d’une polarité extrinsèque. C. elegans est un excellent modèle pour étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires de la division asymétrique in vivo. Chez l’embryon, le maintien d’un axe de polarité antéro-postérieur dépend des protéines PAR conservées et localisées de façon asymétrique en deux groupes mutuellement exclusifs; le groupe antérieur avec PAR-3, PAR-6, PKC-3 et le groupe postérieur avec PAR-2 et PAR-1. L’absence d’une protéine PAR entraine une perte de polarité et une létalité embryonnaire. Lors d’un crible par ARN interférence mené par Jean-Claude Labbé pour identifier les suppresseurs de la létalité associée à la perte de PAR-2, deux cyclines de type B, CYB-2.1 et CYB-2.2 ont été trouvées. J’ai déterminé que CYB-2.1 et CYB-2.2 interviennent dans la polarité sans perturber le cycle cellulaire et agissent vraisemblablement avec leur kinase associée, CDK-1, pour stabiliser les niveaux protéiques de PAR-6. Ces travaux permettent de mieux définir les liens étroits entre polarité et cycle cellulaire. La lignée germinale de C. elegans est un excellent modèle pour étudier les divisions des cellules souches germinales in vivo. Par contre, l’absence d’orientation préférentielle de ces divisions laisse envisager que la complexité morphologique de la niche pourrait engendrer une diversité d’axe possible. J’ai étudié la régulation morphologique de cette niche, une unique cellule somatique appelée distal tip cell (DTC), qui arborise de longues extensions au stade adulte. Mes résultats préliminaires favorisent un modèle dans lequel les cellules souches et progéniteurs germinaux (CSPG) supportent la formation de ces extensions. Enfin, j’ai obtenu des conditions favorables à l’étude de la division asymétrique extrinsèque dans ce modèle, en simplifiant l’architecture de la niche dans des conditions qui préservent les divisions cellulaires des cellules souches. Mes travaux ont permis de mieux comprendre les liens unissant les différents processus biologiques impliqués dans la division asymétrique, d’une part par l’étude du rôle qu’y jouent des régulateurs clés du cycle cellulaire au cours du développement et d’autre part par la caractérisation d’une communication bidirectionnelle entre la niche et les cellules souches chez l’adulte.

Asymmetric cell division is essential to generate cell diversity during development and for maintaining a proper balance between self-renewal and differentiation in adult stem cells. In the first case it is mostly dependent on intrinsic polarity and in the second case on extrinsic polarity cues. C. elegans is an excellent model to study the cellular and molecular mechanisms of asymmetric division in vivo. In the embryo, the establishment and maintenance of an antero-posterior axis of polarity depends on conserved PAR proteins that are themselves localized asymmetrically in two mutually exclusive groups; the anterior complex with PAR-3, PAR-6, PKC-3 and the posterior group with PAR-2 and PAR-1.The absence of any PAR protein causes a loss of polarity and subsequent embryonic lethality. A genome wide RNAi screen performed by Jean-Claude Labbé identified cyb-2.1 and cyb-2.2, encoding for two B-type cyclins, as suppressors of par-2 lethality. I found that CYB-2.1 and CYB-2.2 intervene in polarity with their associated kinase CDK-1 but without affecting cell cycle progression, by regulating PAR-6 levels. This work further helped deciphering the complex links that exist between the regulation of cell cycle and cell polarity. The C. elegans germline is an excellent model for studying stem cell divisions in vivo. However, contrary to what is observed in other model systems, C. elegans germline stem cells do not show an obvious preferential orientation for their self-renewal divisions, perhaps because the complex niche architecture could offer multiple possible axis. Indeed, the C. elegans germline niche is a single somatic cell, called the distal tip cell (DTC) that extends multiple processes in contact with germ stem and progenitor cells (GSPCs) at adulthood. While addressing the regulation of the niche morphology, I found that GSPCs could support the formation of the DTC processes. I also identify conditions that greatly simplify the niche morphology allowing future investigations of mitotic germ cell division toward a unique DTC process. My work helped decipher the links between different bio-cellular processes implicated in asymmetric cell division both by the determination of the role played by key cell cycle regulators in embryonic polarity and by the characterization of a bi-directional communication between the niche and the GSPC at adulthood.