Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Lépilepsie myoclonique juvénile (EMJ) est un syndrome épileptique très répandu qui appartient aux épilepsies idiopathiques généralisées. Il se caractérise par des secousses myocloniques et des crises tonico-cloniques débutant pendant ladolescence, entre 12 et 18 ans. Son étiologie est génétique et impliquerait linteraction de plusieurs gènes. Des études de liaisons géniques ont permis lindentification, dans un gène localisé en 6p12, de cinq mutations faux-sens co-ségrégées avec le phénotype de EMJ. Ce gène code une nouvelle protéine, dénommée EFHC1, comportant un motif EF-hand, domaine potentiel de liaison au calcium et trois domaines DM10, de fonction inconnue. L'objectif de notre travail consiste à étudier les propriétés biochimiques et fonctionnelles d'EFHC1. Nous avons dabord étudié la localisation subcellulaire dEFHC1 dans différentes lignées cellulaires (HEK-293, HeLa et COS-7) au moyen de deux approches complèmentaires. Dune part nous avons surexprimé la protéine couplée à lEGFP, un marqueur fluorescent permettant se visualisation et dautre part, nous avons étudié la localisation de la protéine endogène au moyen dun anticorps spécifique. Dans les cellules en mitose, EFHC1 montre clairement une association avec le fuseau mitotique, spécialement au niveau des pôles et du corpuscule de Fleming pendant la cytokinèse. EFHC1 co-localise également avec le centrosome dans les cellules en interphase et en mitose. Dans le but de déterminer la région d'EFHC1 impliquée dans lassociation au fuseau mitotique, nous avons effectué des analyses au moyen de différentes formes tronquées de la protéine couplées à lEGFP. Les résultats indiquent que lextrémité N-terminale d'EFHC1, contenant les 45 premiers acides aminés de la protéine est cruciale pour ladressage au fuseau mitotique. Nous avons démontré, au moyen dexpériences dimmunoprécipitations et de co-sédimentation de microtubules, une association directe dEFHC1 avec lα-tubuline, composant des microtubules. Cette interaction est médiée par un nouveau domaine dassociation aux microtubules situé au niveau de lextrémité N-terminale de la protéine, entre les acides aminés 1 et 45. Dautre part, nous avons mis en évidence un rôle important dEFHC1 dans la régulation de la division cellulaire. En effet, la surexpression dune forme tronquée dEFHC1 ne contenant que les 45 premiers acides aminés de la protéine, agissant comme un dominant-négatif, ainsi que linhibition dexpression dEFHC1 par expression de shRNAs induit de façon significative des fuseaux mitotiques anormaux (fuseaux unipolaires, anomalies de condensation des chromosomes au niveau de la plaque équatoriale pendant la métaphase). De plus, nous avons observé que les cellules invalidées en EFHC1 présentaient un défaut de progression mitotique résultant du blocage des cellules en prométaphase anormale, conduisant à une augmentation significative de lindex mitotique (% de cellules en mitose) et à de lapoptose. Enfin, nous avons démontré un rôle dEFHC1 dans la corticogenèse cérébrale. En effet, linvalidation dEFHC1 (shRNAs et dominants-négatifs) dans le néocortex de rat en développement au moyen des techniques délectroporations ex vivo et in utero conduit à un défaut de migration neuronale radiaire. Nous avons montré que celui-ci résultait dune diminution de sortie de cycle cellulaire des cellules progénitrices neuronales conduisant à une accumulation de celles-ci, dune altération de larchitecture des prolongements de la glie radiaire, dune augmentation de la mort cellulaire par apoptose et dun défaut de locomotion des neurones post-mitotiques.

Les cellules positionnent leur plan de division de manière précise et prévisible. En particulier au tout début de l’embryogenèse, la cellule-œuf suit un patron de clivage extrêmement reproductible, mais néanmoins sensible aux perturbations (manipulation de la forme de la cellule,…), ce qui suggère une plasticité intrinsèque du système. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée aux signaux qui déterminent la position des plans de division embryonnaires, et à leur compétition. Dans un premier temps, j’ai développé un modèle pour prédire le positionnement du plan de division à partir de la forme de la cellule, et de la présence éventuelle de polarité maternelle à la membrane ou d’une distribution inhomogène de yolk/organelles dans le cytoplasme. Ce modèle est basé sur les forces de traction exercées par les microtubules des astres interphasiques sur le fuseau mitotique/noyau. Sous l’hypothèse que ces forces dépendent de la longueur des microtubules (dynéine dans le cytoplasme) et sont modulées par la polarité membranaire, il est alors possible de trouver la position d’équilibre du fuseau, qui détermine le futur plan de division. J’ai également reproduit les formes et réarrangements des cellules (blastomères) dans l’embryon après la division, à l’aide d’un programme (The Surface Evolver) qui minimise l’énergie de surface sous différentes contraintes : ici les volumes, tensions de surface et éventuels confinements. En bouclant la génération des formes des blastomères avec la prédiction de leurs divisions (les formes permettent de prédire la division, qui permet de générer les formes des cellules filles, etc…), j’ai pu reproduire de manière quantitative quatre patrons de clivage représentatifs (poisson-zèbre, xenope, oursin, ascidie), jusqu’au stade 8 à 16 cellules, in silico. J’ai également testé le modèle sur des expériences classiques de perturbation dans ces quatre systèmes (Hertwig, Hörstadius, ablation de la polarité,…), et reproduit les observations de la littérature. Cette première partie suggère que ces systèmes sont auto-organisés et que la détermination du plan de division dépend principalement d’un nombre restreint de signaux. Dans un second temps, j’ai cherché à caractériser la compétition entre les signaux de forme et de polarité maternelle chez l’embryon d’oursin, de manière quantitative. Ce projet comprend une part importante d’imagerie 3D (position des centrosomes et division, polarité, forme des blastomères), ainsi que des expériences visant à tester le rôle de la forme/taille des blastomères et de la polarité (séparation des blastomères, microchambres de différentes formes, inhibition de la polarité,…). Les résultats obtenus sont comparés aux prédictions du modèle, cette fois basées sur la forme imagée des blastomères. Ces résultats expérimentaux confirment les hypothèses de l’étude in silico, et permettent d’évaluer la robustesse du système biologique pour affiner le modèle. / Cells position their cleavage plane in a precise and predictable way. In particular, during the early embryogenesis, the cleavage pattern of the egg cell is extremely reproducible, yet sensitive to perturbation (shape manipulation,…), which suggests an intrinsic plasticity of the system. My PhD project is about the signals that determine the positions of the cleavage planes in the embryo, and their competition. First, I developed a model to predict division plane positioning from cell shape and possible additional cortical maternal polarity or inhomogeneous yolk/organelles distribution within the cytoplasm. This model is based on pulling forces exerted by interphase astral microtubules on the mitotic spindle/nucleus. Under the hypothesis that these forces depend on microtubule lengths (dynein in the cytoplasm), and are modulated by cortical polarity, it is then possible to find the equilibrium position of the spindle, that sets the future division plane. In addition, I reproduced the shapes and rearrangement of cells (blastomeres) within the embryo, with a program (The Surface Evolver) that minimizes surface energy under various constraints : here cell volumes, surface tensions and possible confinements. The modeling framework I used consisted in a loop between cell shape generation and division plane prediction (cell shape allows to predict cell division, that gives the daughter cells volumes and positions to generate the next cell shapes, and so on…). I could quantitatively reproduce four representative cleavage patterns (zebrafish, xenopus, sea urchin, ascidian), up to the 8 to 16-cell stage, in silico. I also tested the model on classic perturbation experiments in these four systems (Hertwig, Hörstadius, polarity ablation,…), and reproduced the observations of the literature. This first part suggests an auto-organization of these systems, and that the determination of the cleavage plane mainly depends on a limited number of signals. Second, I aimed at characterizing the competition between shape and maternal polarity cues, in a quantitative manner. This project comprises 3D imaging (positions of the centrosomes and division planes, polarity, blastomere shape), as well as experiments assessing the roles of blastomere shape/size and of polarity (blastomere separation, microchambers of different shapes, polarity inhibition,…). The results are compared to the predictions of the model, that now inputs the imaged blastomere shapes. These experimental results confirm the hypotheses of the in silico study, and allow assessing the robustness of the biological system to refine the model.

Notch est le récepteur d’une voie de communication intercellulaire, conservée au cours de l’évolution et impliquée dans de nombreux processus développementaux. Chez Drosophila melanogaster, la spécification et la division des précurseurs des organes sensoriels (SOPs) sont gouvernées par l’activation différentielle de la voie de signalisation Notch. Cette activation est dépendante de l’interaction entre le récepteur Notch et les ligands Delta/Serrate et LAG-2. Cette interaction favorise le clivage protéolytique du récepteur Notch puis la libération et la translocation du domaine intracellulaire dans le noyau de la cellule receveuse du signal. L’activation de Notch est étroitement régulée dans le temps et dans l’espace et est sous le contrôle du trafic intracellulaire. Toutefois, la localisation exacte de l’interaction entre le ligand et le récepteur demeure encore débattue.Précédemment, la protéine Stratum, prédite pour avoir un rôle de facteur d’échange nucléotidique (GEF), fut identifiée comme régulateur de la voie de signalisation Notch. Ici, nous montrons que la perte de Stratum induit des phénotypes Notch associés à une délocalisation du co-facteur de Notch, Sanpodo, au pôle apical des cellules et dans le réseau trans- golgien, avec Notch et Delta. De plus, nous montrons que Rab8 est délocalisée en absence de Stratum et la perte de Rab8 récapitule les phénotypes Notch observés dans le mutant strat. Ensemble, nous résultats indiquent que Stratum et Rab8 régulent la voie de signalisation Notch en contrôlant à la fois le tri et le transport polarisé de Notch, Sanpodo et Delta à la sortie de l’appareil de Golgi. / Notch is the receptor of an evolutionarily conserved intercellular communication pathway, involved in numerous developmental processes. In Drosophila melanogaster, the specification and the division of sensory organ precursors (SOPs) are governed by the differential activation of the Notch signalling pathway. This activation depends on the interaction between the Notch receptor and its ligands Delta/Serrate and LAG-2. This interaction induces the proteolytic cleavage of the Notch receptor, the release and the translocation of the intracellular domain in the nucleus of the signal-receiving cell. The Notch activation is tightly regulated in time and in space and is controlled by intracellular trafficking. However, the exact localisation of the interaction remains debated.Previously, Stratum, predicted to be a guanine exchange factor (GEF), was identified as a regulator of the Notch signalling pathway. Here we show that the loss of Stratum induces Notch phenotypes associated with a mislocalization of the Notch co- factor, Sanpodo, at the apical pole of cells and in the trans-golgi network, with Notch and Delta. Moreover we show that Rab8 is mislocalized in the absence of Stratum and the loss of Rab8 recapitules Notch phenotypes observed in the strat mutant. Together our results indicate that Stratum and Rab8 regulate the Notch signalling pathway by controlling both the sorting and the transport of Notch, Sanpodo and Delta at the exit of the Golgi apparatus.

La division cellulaire asymétrique est un des processus clefs pour générer la diversité cellulaire au cours du développement. La régulation de l’orientation du fuseau mitotique est essentielle pour la production de divisions asymétriques. Elle détermine l’héritage asymétrique des déterminants cellulaires entre les cellules filles. Les mécanismes qui contrôlent l’orientation du fuseau mitotique sont bien caractérisés chez le nématode C. elegans et la mouche Drosophile. Ces modèles ont permis d'identifier les protéines clefs impliquées dans ce processus et conservées chez les mammifères, comme celles du complexe d’orientation du fuseau mitotique : Gαi-LGN-NuMA, et celles du complexe de polarité apicale : PAR3-PAR6-aPKC. Chez les vertébrés, la localisation cortico-latérale de LGN-NuMA dans les progéniteurs neuraux en division est déterminante pour l'orientation planaire du fuseau mitotique, mais son mécanisme de régulation reste inconnu. Nous utilisons la rétine de souris en développement comme modèle expérimental pour sa simplicité et son accessibilité. Des résultats antérieurs de notre laboratoire ont démontré que l'asymétrie de la division dépend de l’orientation du fuseau mitotique, et que cette orientation change au cours au développement. Les rares divisions verticales apparaissent surtout aux stades tardifs de la rétinogenèse. Le but de cette thèse est d'élucider les mécanismes régulateurs du changement d'orientation au cours de la rétinogenèse, et de déterminer le rôle des divisions asymétriques dans les phases prolifératives et neurogéniques du développement de la rétine. Avec nos collaborateurs, le laboratoire du Dr Stéphane Angers, nous avons identifié SAPCD2 (suppressor APC domain containing 2), comme un nouvel interacteur des protéines Gαi, LGN et PAR3. Le rôle du gène Sapcd2 est peu décrit jusqu'à ce jour. Son expression protéique varie au cours du cycle cellulaire, avec un pic d'expression en mitose, et sa surexpression est observée dans plusieurs cas de cancers. Dans un premier temps, nous avons analysé l'expression de Sapcd2 et Lgn dans la rétine de souris en développement. Leur expression varie selon les phases de la mitose et du stade développemental. À P0, soit le premier jour postnatal, SAPCD2 et LGN ont une localisation cellulaire complémentaire dans les progéniteurs en division, avec un enrichissement à la membrane apicale et au cortex cellulaire latéral respectivement, dans des proportions corrélées au nombre de divisions planaires. Tandis qu'au jour embryonnaire 14.5 (E14.5), SAPCD2 et LGN sont toutes deux localisées aux pôles du fuseau mitotique, suggérant des rôles dynamiques au cours du développement rétinien. Nous avons ensuite analysé l’orientation du fuseau mitotique à E14.5 et P0, dans des souris en absence de Sapcd2 et/ou Lgn. En parallèle de l'étude de la souris mutante Sapcd2, j'ai participé à l'étude de la souris mutante Lgn à P0, menée par Dre Marine Lacomme, post-doctorante au laboratoire. En absence de Lgn à P0, les divisions horizontales augmentent, à l'inverse de l'absence de Sapcd2, où les divisions verticales augmentent. Pour savoir si ces changements d’orientation affectent le destin cellulaire, nous avons réalisé une analyse clonale des divisions terminales dans des explants rétiniens. Cette approche permet de suivre l'effet d'une délétion clonale d'un gène dans le lignage d’un seul progéniteur. Comme attendu, l'ablation clonale de Sapcd2 augmente les divisions asymétriques terminales, produisant deux cellules postmitotiques différentes, et inversement sans Lgn. En termes de mécanisme, SAPCD2 compétitionne avec NuMA pour se lier à LGN, dont elle régule négativement la localisation au cortex de la cellule. Le phénotype rétinien des souris doubles mutantes Lgn;Sapcd2 est sévère, avec une quasi-exclusivité de divisions verticales, une augmentation de la prolifération globale, du nombre de cellules mitotiques non apicales, et une drastique expansion de la population neuronale avec une couche cellulaire supplémentaire, composée de presque tous les types cellulaires rétiniens. Cette hyperprolifération pourrait être due à l'augmentation des divisions verticales, engendrant une asymétrie de l'héritage du déterminant cellulaire NUMB, antagoniste de Notch. Nous faisons l'hypothèse que le progéniteur basal qui n'hérite pas de NUMB, a une capacité proliférative supérieure aux progéniteurs apicaux. Pour la première fois, nous suggérons que les progéniteurs rétiniens ne sont pas équipotents. Ces travaux ont permis d'identifier un nouveau régulateur de l’orientation du fuseau mitotique, et d'élucider la régulation de la localisation cortico-latérale de LGN dans les progéniteurs rétiniens des vertébrés. Ils suggèrent que SAPCD2 et LGN interagissent différemment et changent de rôle au cours de la rétinogenèse. Ces découvertes contribuent à mieux comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires qui contrôlent la taille du lignage neuronal et régulent la formation de la diversité cellulaire au cours du développement du système nerveux central des vertébrés. / The control of cell division orientation is an integral processing during asymmetric cell division, a critical process ensuring cell diversity by asymmetrically distributing cell fate determinants between daughter cells. Cell fate determinants in invertebrate model organisms such as the C. elegans nematode and Drosophila fruit fly have been well characterized, and genetic analyses in these organisms has identified the evolutionarily conserved ternary protein complex Gai-LGN-NuMA as essential molecules involved in mitotic spindle orientation, as well as the polarity protein complex PAR3-PAR6-aPKC. Precisely how the Gai-LGN-NuMA complex achieves proper sub-cellular localization in vertebrate neural progenitors to induce planar cell division remains unclear. We used the developing vertebrate retina as a model system to study the role of cell division orientation in cell fate decisions. We have previously demonstrated a link between cell division orientation and daughter cell outcome in neural retina. Specifically, vertical cell divisions have a tendency to give rise to asymmetric pairs of daughter cells, and appear in later stages of retinogenesis. We wished to elucidate the mechanism underlying the switch from planar to vertical cell divisions over time during the neurogenic vs. proliferative developmental phases of retinogenesis. With our collaborators from the University of Toronto in the lab of Dr Stéphane Angers, we identified a novel Gai, LGN and PAR3 interacting protein, named SAPCD2 (suppressor APC domain containing 2). SAPCD2 is a poorly characterized protein, but known to be expressed in a cell cycle-dependent manner with higher expression during mitosis and elevated expression in many human cancers. We first analyzed Sapcd2 and Lgn expression in the developing retina, and found strong expression during proliferative phases, with its subcellular localization dependent on mitotic phase and developmental stage. During mitoses at P0 (birth), SAPCD2 and LGN display complementary localization with an apical or cortico-lateral enrichment, respectively, suggestive of a role in planar cell division induction. However, at E14.5, SAPCD2 and LGN have a highly similar localization, independent of spindle orientation, suggesting different roles during retinal development. We then analyzed mitotic spindle orientation in Sapcd2 and Sapcd2/Lgn DKO mice at E14.5 and P0, and Lgn mutant mice studied in parallel by Dre Marine Lacomme, post-doc in the Cayouette lab. In the absence of Sapcd2, vertical divisions drastically increased, whereas in the absence of Lgn, horizontal cell divisions increased. To test if this reorientation affects cell fate outcome, we analyzed the lineage of individual progenitor cells. As expected, in absence of Sapcd2, we observed a drastic increase in terminal asymmetric cell divisions, leading to two different neurons; whereas in the absence of Lgn, we observed an increase in terminal symmetric cell divisions, leading to two photoreceptors. Mechanistically, we showed that SAPCD2 negatively regulates LGN cortical localization, by competing with NuMA for its binding. In Lgn;Sapcd2 DKO mice, the mitotic spindle reorientation phenotype is even more drastic, containing almost exclusively vertical cell divisions, combined with an increase of proliferation and non-apical mitoses. This leads to a drastic expansion of the neuronal population, which forms an extra-layer containing many different retinal cell types. This over-proliferation could be due to the increase of vertical cell divisions, leading to an asymmetrical distribution of cell fate determinant, NUMB, an antagonist of Notch, between daughter cells. We hypothesize that the retinal basal progenitor, without NUMB, has a higher proliferative potential than the apical progenitor. Contrary to previous studies, this suggests that retinal progenitors are not equipotent. This work identifies a new regulator of mitotic spindle orientation and clarifies the sub-cellular localization of the LGN-NuMA complex. Our results also suggest that SAPCD2 and LGN change their role and the way they interact throughout the course of retinogenesis. This research contributes to an understanding of both how neural number is regulated, and how cell diversity is generated during vertebrate central nervous system development.

Streptococcus pneumoniae, pathogène majeur de la sphère oro-pharyngée, résiste fréquemment aux antibiotiques de la famille des ?-lactamines généralement administrés dans les infections associées à ce pathogène. Les cibles de ces antibiotiques sont des enzymes responsables de la biosynthèse du peptidoglycane bactérien, les Penicillin-Binding Proteins (PBP) dont la structure du site actif est modifiée dans le cas de souches résistantes aux antibiotiques. Dans un premier temps, la résolution de la structure à haute résolution par cristallographie des rayons X de PBP1b, une des trois PBP bifonctionnelles du pneumocoque, a mis en évidence un phénomène de réorganisation structurale du site actif de la molécule en fonction de son interaction avec un pseudo-substrat de la réaction. Ce résultat nous a permis de proposer que l'ouverture du site actif joue un rôle clef lors du processus de division cellulaire. Dans un deuxième temps, nous avons résolu les structures de complexes entre PBP1b et de nouvelles molécules inhibitrices, ce qui permet d'ouvrir la voie de la mise au point rationnelle de nouveaux médicaments. Pour finir, nous avons caractérisé le domaine glycosyltransférase de PBP1b ,qui représente une nouvelle cible moléculaire pour le développement de nouveaux antibactériens, notamment par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). Cette approche originale nous a permis de proposer un modèle d'organisation et de repliement de ce domaine au sein de ces protéines.

Trouver des solutions aux carburants fossiles est un des grands challenges du XXIème siècle. Les plantes et les microalgues sont capables de produire de l’huile, facilement convertible en biodiésel. Afin d’optimiser la production de biocarburant, il est essentiel de connaitre les mécanismes cellulaires menant à la formation de ces lipides de réserve aussi appelés TAG (Triacylglycérides). En condition physiologique, le flux de lipide est naturellement orienté vers la synthèse de lipides membranaires qui permettent de créer de nouvelles membranes lors de la division cellulaire. Le manque de nutriments disponibles est une condition souvent rencontrée par les végétaux terrestres et les microalgues. Chez ces dernières, lors d’une en carence d’azote, la croissance cellulaire est ralentie et les TAG s’accumulent. Le flux de lipides, normalement orienté vers la synthèse de nouvelles membranes, est-il alors basculé vers la synthèse des lipides de réserve ? Pour vérifier cette hypothèse, une gamme de composés connus pour arrêter la croissance cellulaire a été testée sur la plante supérieure Arabidopsis thaliana selon une stratégie de génétique chimique. Quel que soit le traitement, l’inhibition de la croissance est toujours accompagnée par une augmentation de la teneur en TAG. Parmi les inhibiteurs, le méthotrexate, qui réprime l’enzyme dihydrofolate réductase impliquée dans le métabolisme C1, induit une augmentation des lipides de réserve jusqu’à 15 fois la valeur du contrôle. Ce traitement a été comparé à une carence en azote, qui dans nos conditions expérimentales, ralentie la croissance cellulaire et augmente d’un facteur 60 la teneur en TAG. L’analyse des profils lipidiques révèle que la déficience en azote engendre une diminution des classes de lipides membranaires -phospholipides et galactolipides, au profit des TAG, tandis que le traitement méthotrexate n’est pas associé à un remaniement membranaire. Néanmoins, les deux conditions partagent des similitudes, comme le taux d’insaturation des acides gras et l’expression des gènes des désaturases qui sont modifiés. La forte expression des gènes codant pour les Non Spécific Phospholipases C (NPC4/5), ainsi que des expériences de pulse-chase avec de la phosphatidylcholine (PC) marquée, ont mis en évidence que ce phospholipide est plus utilisé pour produire des TAG dans les deux traitements, qu’en condition contrôle. Afin d’évaluer plus finement l’importance des enzymes NPC4 et 5 dans le métabolisme d’accumulation des lipides de réserve, la construction de lignées mutantes d’A. thaliana (surexpresseur ou knock-out) a été amorcée. Les microalgues sont des modèles puissants pour les biocarburants de 3ème génération. Pour cette raison nous avons testé l’effet d’une déficience minérale et l’impact de différents inhibiteurs de croissance sur l’accumulation de TAG chez la microalgue Phaeodactylum tricornutum. Les résultats préliminaires suggèrent que la sensibilité aux inhibiteurs peut être différente chez les diatomées et les plantes supérieures. / Alternatives to fossil fuel are one of the biggest challenges of the 21st century. Plants and microalgae are able to produce oil which is easily convertible in biodiesel. In order to optimise the biofuel production it is necessary to know the cellular mechanisms leading to the setting up of these storage lipids or TAG (Triacylglycerides). In its physiological condition, the lipid flux is naturally orientated towards the membrane lipid synthesis, which allows the creation of new membranes which occurs during the cell division. Nitrogen deficiency, a condition often encountered by plants and algae, is known to induce cell growth to slow down and an accumulation of TAG in microalgae models. Is the lipid flux, which is conventionally orientated towards new membrane synthesis, tipped over the storage lipid synthesis? To check this hypothesis, a range of compounds known to stop the cell growth was tested on the higher plant model Arabidopsis thaliana, according to a chemical genetic strategy. All treatments showed a rise of the TAG content associated to a cell growth inhibition. Among them, the methotrexate inhibit the dihydrofolate reductase enzyme involved in the C1 metabolism and induced a TAG accumulation up to 15 times the control. This treatment was compared to a nitrogen starvation condition, which in our experiments slowed down the cell growth and induced an increase of 60 times to the TAG content. The lipid profile analysis revealed that the nitrogen deficiency led to a decrease of membrane lipids -phospholipids and galactolipids, in favour to TAG, whereas the methotrexate treatment was not associated to any membrane remodelling. Nevertheless, both conditions shared similarities, as the modifications of the fatty acid insaturation profile and the expression of desaturase genes. The strong gene expression of Non Specific phospholipases C (NPC4/5) and pulse-chase experiments performed with a labelled phosphatidylcholine (PC), highlighted the predominant involvement of this phospholipid in the TAG production which occurs during the two treatments. In order to evaluate the NPC role in the storage lipid metabolism more closely, A. thaliana mutant lines for NPC4 and NPC5 (over-expressers and knock-out) were initiated. Microalgae are powerful models for the third generation of biofuels. For this reason we tested the impact of a nutrient deficiency as well as the effect of different growth inhibitors on the TAG accumulation in the marine microalgae Phaeodactylum tricornutum. Preliminary results suggested that the inhibitor sensibility can be different between diatoms and higher plants.

La protéine CEP55 pour Centrosomal protein 55 kDa est un régulateur essentiel de la dernière étape de la division cellulaire appelée cytocinèse. En utilisant des approches de bioinformatique, structure-fonction et de biologie cellulaire, nous montrons que CEP55 comporte deux nouveaux domaines d'interaction à l'ubiquitine, qui sont similaires à ceux de la protéine NEMO, NOACEP55 et ZFCEP55 et qui régulent différemment la fonction de CEP55 durant la cytocinèse. Des études de modélisation structurale, mutagénèse dirigée et de biophysique de ces domaines ont permis de mettre en évidence que NOACEP55 adopte une structure dimérique de type " coiled-coil " et interagit préférentiellement avec des chaines d'ubiquitine linéaires (M1). Néanmoins, ZFCEP55 présente une architecture de type zinc finger ou UBZ et se lie préférentiellement avec des chaines d'ubiquitine K63 et M1. De plus, nous mettons en évidence que ZFCEP55 est indispensable au recrutement de CEP55 au midbody de façon dépendante de son interaction avec l'ubiquitine. A contrario, NOACEP55 joue un rôle déterminant en aval du recrutement de CEP55 au midbody. Dans un second volet, nous montrons que NOACEP55 et ZFCEP55 qui sont séparés par un domaine charnière riche en proline, interagissent in vitro de manière coopérative avec de longues chaines d'ubiquitine K63 et que cette interaction est modulée par phosphorylation et isomérisation d'acteurs physiologiques associés à CEP55. Enfin, ces résultats ont permis d'identifier par criblage de siRNA des ubiquitine ligases et déubiquitinases impliquées dans la cytocinèse, qui permettent de discuter du rôle de la signalisation de l'ubiquitine dans ce processus cellulaire. / CEP55 (Centrosomal protein 55 KDa) critically regulates the final step of cell division termed cytokinesis. In the first part, using bioinformatical, structure-function and cell biology approaches, we showed that CEP55 contains two new NEMO-like ubiquitin binding domains, NOACEP55 and ZFCEP55, which differentially regulate CEP55 function during cytokinesis. Structural modeling, mutagenesis and biophysical studies of both domains pointed out that NOACEP55 adopts a dimeric coiled-coil structure and selectively interacts with linear ubiquitin chains (M1). However, ZFCEP55 presents a zinc-finger scaffold – or UBZ – and preferentially binds to K63 and M1 ubiquitin chains. Moreover, our results highlight that ZFCEP55 functions as a cargo receptor to the midbody in an ubiquitin dependent manner whilst NOACEP55 plays a crucial role in cytokinesis but acts downstream of CEP55 recruitment to the midbody. In the second part, we showed that NOACEP55 and ZFCEP55 separated by a proline rich linker cooperatively interact with long K63 poly-ubiquitin chains and this interaction can be modulated by phosphorylation and isomerization via CEP55 physiological partners. Finally, these results allowed us to identify E3-ligases and deubiquitinases involved in cytokinesis, which permit to discuss the role of ubiquitin signaling in this cellular process.

Les cellules végétales sont entourées d’une paroi pecto-cellulosique rigide, soudant les cellules les unes aux autres et empêchant toute migration. Lors de la mitose, le positionnement du plan de division est donc un processus fondamental dans l’organisation des tissus puisque les cellules nouvellement formées restent à leur position initiale après la cytokinèse. Chez les plantes terrestres, le plan de division est déterminé lors de la transition G2/M du cycle cellulaire par l’anneau de préprophase (PPB), une structure transitoire corticale de microtubules. Les mécanismes mis en jeu pour la formation de la PPB sont encore inconnus. L’équipe dans laquelle j’ai effectué ma thèse a identifié un complexe régulateur, le complexe TTP, composé de TON1, de la famille de protéines TON1-Recruiting-Motif (TRMs) et d’une phosphatase de type 2A où FASS est la sous-unité régulatrice. TON1 et FASS sont impliquées dans l’organisation des microtubules corticaux en interphase, et sont indispensables à la formation de la PPB. La famille des protéines TRMs, identifiée récemment, est composée de 34 membres, dont certains sont capables de se lier aux microtubules et de recruter TON1 et FASS au cytosquelette. Les profils d’expression des TRMs et les analyses génétiques préliminaires suggèrent que certaines auraient un rôle en interphase, alors que d’autres pourraient être impliquées dans la formation de la PPB. Mon projet était d’identifier et de caractériser, si elles existent, les TRMs impliquées spécifiquement dans la formation de la PPB. L’analyse des données de transcriptome a révélé qu’un des gènes de la famille TRM, le gène TRM7, présente un pic d’expression en mitose. Nous avons d'abord montré que TRM7 est spécifiquement exprimée dans les tissus en division. L’utilisation d’une fusion génomique TRM7-3xYpet indique d'autre part que la protéine TRM7 n’est exprimée qu’au stade G2/M. Elle est localisée à la PPB et disparaît en début de métaphase, peu après dépolymérisation de la PPB. TRM7 est ainsi le seul marqueur spécifique de la PPB identifié à ce jour chez les plantes, puisque toutes les autres protéines localisées à la PPB marquent également les autres structures mitotiques ou le cytosquelette d’interphase. TRM7 fait partie d’un sous-groupe de trois TRM partageant environ 74% de similarité de séquence. L’analyse phénotypique du mutant trm7, ainsi que celui du triple mutant trm6 trm7 trm8 a montré que ce sous-groupe de protéines joue un rôle majeur dans la formation de la PPB. Près de la moitié des cellules du mutant trm7 présentent un stade préprophase aberrant alors que 100% des cellules du triple mutant au stade G2/M sont affectées, la très grande majorité se divisant sans former de PPB. Étonnamment, la morphologie de ces mutants est peu perturbée et le phénotype n’est en rien comparable au syndrome développemental sévère des mutants ton1 ou fass dépourvus de PPB. De plus, les plans de division ne sont pas aléatoires comme c’est le cas pour les mutants ton1 et fass. Nos résultats permettent donc d'apporter une nouvelle lumière sur le rôle de la PPB dans la détermination du plan de division. Pour la première fois, grâce au triple mutant trm6 trm7 trm8, nous avons réussi à découpler les fonctions interphasiques de la fonction mitotique du complexe TTP, ce qui était jusqu’alors impossible chez les mutants ton1 ou fass où les défauts en interphase et les défauts dus à l’absence de PPB étaient indissociables. Tous les composants du complexe TTP partageant des similarités avec des protéines centrosomales animales faisant partie du même complexe, nous avons exploré dans un projet annexe, la conservation des interactions au sein du complexe animal. Nous avons pu mettre en évidence, grâce au système double-hybride chez la levure, des interactions entre protéines animales et protéines végétales. / Plant cells are embedded within a semi-rigid pecto-cellulosic cell wall that prevents cell migration. As a consequence, three-dimensional cellular organization of tissues mostly results from polarized cell division, since new cells remain in place after mitosis with no possibility for subsequent relocation. In land plants, the division plane is determined pre-mitotically, during the G2 to M phase transition by the preprophase band (PPB), a transient, premitotic microtubule array. The molecular pathways leading to preprophase band formation are still largely unknown. Our team has identified a regulatory complex, the TTP complex, composed of TON1, TRM and a Protein Phosphatase 2A complex with FASS as the regulatory subunit. Both TON1 and FASS have been shown to be involved in cortical microtubules organization during both interphase and PPB formation. The TRM super family is a newly identified protein family composed of 34 members, some of which are microtubule-associated proteins able to recruit TON1 and FASS to the microtubules. Based on TRM expression profiles and preliminary genetic analysis, we hypothesized that some TRMs could have a role in interphase, while others could be involved in PPB formation. My project was to identify and characterize TRMs specifically involved in PPB formation, if any. Transcriptomic analysis using the Genevestigator tool revealed that one TRM gene, TRM7, has a peak of expression at mitosis. TRM7 promoter GUS fusion analysis confirmed that TRM7 is expressed in all dividing tissues and in situ hybridizations of shoot apical meristems revealed a patchy pattern of expression, typical of cell cycle-regulated genes. Remarkably, the genomic TRM7-3xYFP fusion is only expressed at the G2/M transition where it localizes to the PPB, persists beyond PPB degradation until the beginning of metaphase and then disappears. To our knowledge, this makes TRM7 the only PPB-specific marker identified in plants so far, since all other PPB-associated markers label others structures as well, both interphasic or mitotic. TRM7 is part of the TRM6-7-8 sub-family, which share 74% of similarity. Phenotypic analysis of the trm7 and trm6 trm7 trm8 triple mutant revealed a major role of this sub-group in PPB formation. Almost half trm7 cells and all trm6 trm7 trm8 cells displayed an abnormal preprophase stage, the vast majority of the triple mutant cells dividing without PPB. Surprisingly, the triple mutant phenotype is rather mild compare to the severe developmental syndrome of PPB-lacking ton1 or fass plants. Moreover, although often shifted, division plane positioning is far from being fully randomized as in ton1 and fass mutants. Our results show that, for the first time, we have fully uncoupled the mitotic function of the TTP complex from its interphasic function, contrarily to other TTP mutants analyzed so far, where division and interphase defects are indistinguishable. Moreover, these findings question the central role of the PPB in division plane positioning. All TTP components share similarities with animal proteins assembled within a complex at the centrosome. In a side project, we studied the conservation of protein interactions within the animal complex and were able to find cross-interactions between animal and plant proteins in yeast two-hybrid experiments.

Le centrosome est le centre organisateur des microtubules dans les cellules animales, il nucléé les microtubules interphasiques ainsi que le fuseau mitotique. Les centrosomes sont produits par duplication, mécanisme rigoureusement régulé au cours du cycle cellulaire. En effet, un centrosome comporte deux centrioles qui se dupliquent une fois par cycle cellulaire. Des erreurs de duplication conduisant à plus de deux centrosomes induisent la formation de fuseaux multipolaires et provoquent des défauts de ségrégation des chromosomes. Chez la levure Schizosaccharomyces pombe, un organisme modèle pour l’étude de la division cellulaire, les homologues des centrosomes sont les SPBs (pour Spindle Pole Body). Une structure annexe spécifique liée aux SPBs est appelée demi-pont (quand les SPBs ne sont pas dupliqués) puis pont (quand elle relie les deux SPBs dupliqués). Les deux principaux composants du pont chez la levure S. pombe sont Cdc31 et Sfi1. Sfi1 est une protéine linéaire formée de répétitions en hélice α formant des sites de liaison pour la Centrine/Cdc31. Sfi1 s’assemble en réseau de molécules parallèles interagissant avec le SPB via leur domaine N-terminal. Lors de la première partie de ma thèse, j’ai démontré que Sfi1 est requis pour la duplication et la séparation des deux SPBs. Dans la première partie de ma thèse, je me suis intéressée aux fonctions de Sfi1 chez la levure. Cette étude a permis de démontrer que Sfi1 est un composant du demi-pont et qu’il est essentiel pour la duplication des SPBs et l’assemblage d’un fuseau bipolaire. De plus, nous avons déterminé que le pont est dupliqué en fin de mitose. Enfin, nous avons aussi montré que la déstabilisation du pont menant à sa rupture en mitose, dépend de la phosphorylation de Cdc31 par la kinase mitotique Cdk1. Lors de la seconde partie de ma thèse, je me suis intéressée au complexe Sfi1/Centrine dans les cellules humaines. J’ai confirmé que Sfi1 est localisée aux centrioles. De plus, j’ai montré que la déplétion de Sfi1 dans les cellules RPE1, conduit à une perte de localisation de la Centrine, suggérant soit un défaut de recrutement, soit une déstabilisation. De plus, en absence de Sfi1, les cellules RPE1 ne sont plus capables de former de cil primaire. Ce résultat suggère que Sfi1 et la Centrine sont requis pour la ciliogénèse. Enfin, j’ai aussi démontré que la déplétion deSfi1 induit un arrêt de cycle cellulaire dans les cellules non tumorales RPE1. Dans les cellules cancéreuses, HeLa, le cycle n’est pas arrêté mais j’ai pu observer une prolongation du temps de mitose. En conclusion mes travaux montrent que bien que la fonction de Sfi1/Centrin ne soit pas conservée, le complexe reste essentiel pour l’intégrité structurale et fonctionnelle du centrosome. / The centrosome is the main microtubule organizing center. It nucleates and organizes interphase microtubule and contributes to the assembly of the bipolar mitotic spindle. To do so, the centrosome, present in one copy at the beginning of the cell cycle, duplicates to produce a second copy. The duplication process is tightly controlled and regulated since centrosome over-duplication can lead to multipolar mitotic spindles and promote genome instability and tumorigenesis. The duplication of the yeast centrosome, the SPB (Spindle pole body), begins with the duplication of the half bridge. This appendage is composed of Sfi1/Cdc31 complex organized in a parallel array attached to the core SPB. SPB duplication relies on the assembly of a second array of Sfi1/Cdc31, anti-parallel to the first one, creating thereby an assembly site for the new SPB. Therefore Sfi1 is essential for SPB duplication and our work defined the timing of half-bridge duplication and some of the regulatory mechanisms that favor bridge splitting to release duplicated centrosomes and allow spindle assembly at mitotic onset. Sfi1 and Cdc31/Centrins are conserved in human cells where the centrosome is composed of two centrioles surrounded by the pericentriolar material. Centrins are concentrated in the distal end of centrioles. Sfi1 has also been localized to centrioles, but its function remained unknown. Thus, we started investigating Sfi1 function in human cells. We found that Sfi1 depletion leads to a decrease in Centrin recruitment to the centrioles. It also leads to a cell cycle arrest in G1 in RPE1 cells, an event previously observed in presence of defects in centriole biogenesis. In HeLa cells where the cell cycle is not affected, Sfi1 depletion leads to a mitotic delay. Moreover, Sfi1 depletion leads to cilium assembly. To conclude, these results altogether point towards a role of human Sfi1 in centriole biogenesis.