京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23885号 / 工博第4972号 / 新制||工||1776(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科マイクロエンジニアリング専攻 / (主査)教授 横川 隆司, 教授 安達 泰治, 教授 井上 康博 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

In LLC-Pk1 cells, and most cultured mammalian cells, cell division is highly regulated to achieve equal sized daughter cells. During this process, duplicated centrosomes separate and establish a bipolar array called the mitotic spindle. The mitotic spindle is responsible for aligning the chromosomes at the metaphase plate, and separating sister chromatids during anaphase. Spindle positioning and elongation are thought to be driven by the interaction between dynamic astral microtubules and cortical dynein. Extensive research has revealed that dynein is anchored to the cortex via the highly conserved NuMA/LGN/Gαi ternary complex in metaphase and the additional PIP/PIP2/NuMA, or 4.1G/R/NuMA, pathways during anaphase. Although substantial research has been conducted on the proteins involved with this process, it is unclear exactly how a cell is able to generate forces for spindle positioning and elongation. Here, I use photoactivation and FRAP techniques to investigate the role of the midzone during spindle elongation, and how cortical dynein is able to drive this process. I provide evidence that microtubule sliding in the midzone is not precisely coordinated with pole separation, however the two actions are interdependent. In addition, I demonstrate that cortical dynein dynamics are significantly enhanced during anaphase, most likely due to an increased length and stability of astral microtubules. I hypothesize that this increased turnover rate allows for rapid redistribution of dynein throughout the cortex to ensure proper spindle elongation.

The cytoskeleton is a dynamic network of microtubules constantly being reorganized to meet the spatiotemporal demands of the cell. Microtubules are organized into subcellular highways to control cell processes such as cell division, cargo transport, and neuronal development and maintenance. Reorganization of this intricate network is tightly regulated by various stabilizing and destabilizing microtubule-associated proteins that decorate the network. Katanin p60 is a microtubule destabilizing enzyme from the ATPases Associated with various Activities (AAA+) family. It can both sever and depolymerize microtubules. In order to sever microtubules, katanin recognizes the tubulin carboxy-terminal tails (CTTs) and hydrolyzes ATP. Using super-resolution microscopy and image analysis, we find that the tubulin CTTs are not required for katanin to depolymerize microtubules. We also characterize the regulation of microtubule severing and depolymerization by katanin in various nucleotide states. A better understanding of how CTTs and nucleotides regulate microtubule severing and depolymerization by katanin will help future research aimed to correct katanin activity when these processes goes awry as in improper chromosome segregation during mitosis or loss of microtubule integrity in neuronal diseases.

HIV-1 completes its life cycle by coopting host proteins. Hundreds of proteins have been identified as potential host factors functioning in viral infection through screens, two of which are MID1IP1 and CCT2. Little is known about MID1IP1, but its localization to microtubules may suggest a cytoskeletal function and a possible role in microtubule transport of HIV-1 viral cores. We use the CRISPR/Cas9 system to create frameshift mutations in MID1IP1 in 293 cells and find that these mutations do not produce effects on HIV-1 transduction in experiments capable of assaying for completion of the life cycle from initial entry into host cells to gene expression. Furthermore, we were unable to find an effect on the staining for markers of microtubule stability using Western blots as a result of the mutations in these cells. CCT2 is a component of the TRiC/CCT protein folding complex whose substrates include actin and tubulin, which also suggests that CCT2 might function in the HIV-1 life cycle in a cytoskeleton-dependent manner. siRNA knockdowns in TE671 cells demonstrate a slight effect on HIV-1 transduction. Our data does not support a role for MID1IP1 in the entry stage of the HIV-1 life cycle, but does suggest CCT2 may be a potential candidate for further study.

Lors du développement du système nerveux, de nombreux mécanismes moléculaires sont mis en jeu afin que les axones trouvent leur cible et établissent des synapses. Une fois ces synapses établies, elles restent plastiques et peuvent encore être modifiées d'un point de vue morphologique et fonctionnel en fonction de la taille de la cible ou de l'activité de la synapse. La jonction neuromusculaire (JNM) de la larve de drosophile est un modèle idéal pour étudier cette plasticité synaptique développementale. En effet, la cellule musculaire innervée augmente de taille d'un facteur 50, et la JNM croît en conséquence. Cette croissance met en jeu le cystoquelette microtubulaire, composant central de la terminaison synaptique. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle de la protéine kinase Shaggy dans la croissance de la JNM et avons montré qu'elle joue un rôle inhibiteur dépendant de la protéine associée aux microtubules (MAP) Futsch. Futsch est le représentant d'une des deux familles de MAPs structurales. Ces deux familles comprennent la famille MAP1 (MAP1A, MAP1B et MAP1S) et la famille MAP2/MAP4/Tau. Dans le système nerveux, elles stabilisent les microtubules et favorisent la pousse neuritique. Cependant, lors de synaptogenèse, leur rôle est méconnu. Chez la drosophile, il n'existe qu'un membre de chaque famille : Futsch (MAP1) et Tau (MAP2/MAP4/Tau), ce qui simplifie l'étude d'une famille par rapport à l'autre par l'absence de redondance. Nous avons ensuite étudié le rôle de ces MAPs sur la stabilité des microtubules, ce qu'il en résulte concernant la croissance de la JNM et quels acteurs, notamment ceux de la voie de signalisation Wnt/Wingless, peuvent réguler ces protéines.

Au-delà de sa présence sur les microtubules stables, l'acétylation de l’-tubuline peut être augmentée après exposition des cellules aux UV ou après une carence en nutriments, phénomène que l’on appelle « hyperacétylation ». Cependant, le mécanisme d’induction de cette hyperacétylation est encore inconnu. Dans cette étude, nous montrons que l’hyperacétylation de la tubuline est une réponse générale aux stress cellulaire, et nous avons cherché à caractériser cette réponse, à identifier la voie de signalisation activée par le stress et conduisant à cette réponse, et à étudier la signification biologique de ce phénomène rapide et réversible. Nous avons trouvé que MEC-17/-TAT1, l’acétyltransférease majeure de l’ tubuline, est une enzyme nécessaire à l’induction de l’hyperacétylation en réponse aux stress, et qu'elle est régulée, à l’état basal par une autre acétyltransférase appelée p300. Au cours du stress, nous montrons que l'augmentation de la production des espèces réactives de l'oxygène (ROS), conduit à l'activation de la kinase « AMP-activated protein kinase (AMPK) », qui, à son tour provoque la phosphorylation de MEC-17, et probablement son activation. Enfin, nous montrons que l’hyperacétylation de la tubuline induite par le stress, participe à la survie des cellules dans des conditions de stress et à l'induction de l'autophagie de survie. / Beyond its presence in stable microtubules, -tubulin acetylation can be boosted after UV exposure or after nutrient deprivation but the mechanisms of this hyperacetylation are still unknown. In this study, we show that tubulin hyperacetylation is a general cell stress response, and aimed to characterize this response, to identify the stress-activated signaling pathway leading to its induction and the biological significance of this rapid and reversible phenomenon. We found that the major tubulin acetyltransferase MEC-17/-TAT1 is the main enzyme required for mediating tubulin hyperacetylation upon stress, and that it is regulated under normal conditions by the acetyltransferase p300. Upon stress, we show that the increased production of reactive oxygen species (ROS), leads to the activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), which in turn mediates MEC-17 phosphorylation, and probably its subsequent activation. Finally, we show that tubulin hyperacetylation induced upon stress participate in cell survival under stress conditions and in the induction of protective autophagy.

We report the self assembly of nanostructures via. the bottom-up approach by dielectrophoresis. Dielectrophoresis deals with the force on an electric dipole placed in an external in-homogenous field. The force depends on the geometry and volume of the dielectric material and on the frequency and gradient of the electric field. We report the self-assembly of metallic palladium nanowires from the aqueous solution by dielectrophoresis. The metal cations with the surrounding hydration shell and counter-ion cloud results in the formation of a dipole which responds to the local dielectrophoretic forces. Structural properties and morphology of the palladium nanowires are listed. Depending on the experimental conditions two different types of nanowires were grown. Some of them were extremely thin (5 nm diameter) and branched while the others were thick (25 nm diameter) and dendritic. The wire formation can be divided into the nucleation and growth process. For the particle assembly, a minimum threshold force is needed to overcome the random Brownian motion. The nucleation depends on the asperities on the electrode surface and the growth depends on the tip of the growing wires where exists extremely high field magnitude and in-homogeneties and so the force overcomes the threshold at these locations. We showed that wire growth depends a lot on the formation of the double layer at the electrode/solution interface and potential drop within the double layer. Carbon nanotubes (CNT) were also deposited between the electrodes leading to the formation of field-effect transistors (FETs). We produced CNTFETs having extremely high on/off ratio, in a single step without the requirement of any intermediate burning process of the metallic tubes. Besides these inorganic systems, we also investigated the dielectrophoretic experimental conditions required for self assembly of bio-molecules like microtubules between the electrodes. Hybrid structures were also formed by mixing these materials in combination of two. In conclusion, we report in this work the possibility to assemble a large variety of particles (ions, neutral particles and bio-molecules) between the electrodes leading to the device formation. The thesis was mainly devoted to the task for the synthesis and assembly of the nanostructures via. the bottom-up approach.

Les microtubules (MTs) sont des polymères dynamiques essentiels pour de nombreux processus cellulaires tels que la division, la migration et le transport intracellulaire. Leurs propriétés dynamiques et leur organisation spatiale sont régulées par des protéines associées, les MAPs (Microtubule-Associated Proteins). Une des premières MAPs à avoir été identifiée dans les neurones est la protéine tau, connue pour stabiliser les MTs et les organiser en faisceaux au niveau des axones. Du fait de son implication dans la maladie d'Alzheimer, tau a fait l'objet de nombreuses études et son interaction avec les MTs est aujourd'hui relativement bien caractérisée. En revanche, les mécanismes responsables de la formation des faisceaux de MTs par cette protéine restent indéterminés. Le premier objectif de ma thèse a été de définir les bases moléculaires de ce processus, grâce à la reconstitution de faisceaux de MTs in vitro et à leur observation en temps réel par microscopie à onde évanescente. Les résultats montrent que le domaine de projection de tau inhibe la formation des faisceaux, alors que les deux hexapeptides localisés dans le domaine C-terminal de tau et responsables de son agrégation au cours de la maladie d'Alzheimer sont essentiels à l'organisation des MTs en faisceaux. En parallèle, je me suis intéressée à l'effet de tau sur l'interaction MTs/actine. En effet, les filaments d'actine constituent, comme les MTs, un élément majeur du cytosquelette. La coordination entre les MTs et les filaments d'actine est essentielle à la différenciation et à l'activité neuronales. Cependant, les effecteurs responsables de cette coopération MTs/actine restent aujourd'hui très mal caractérisés. La protéine tau a été proposée comme pouvant s'associer directement à l'actine. De plus, elle a été observée dans des compartiments neuronaux riches en actine tels que l'extrémité des axones en croissance et les synapses, dans lesquels les microtubules peuvent entrer transitoirement. Tau est donc un potentiel intermédiaire moléculaire entre les MTs et les filaments d'actine. Grâce à la mise au point d'un système original permettant la visualisation de l'assemblage simultané des MTs et des filaments d'actine, j'ai étudié le rôle de tau dans la coordination des cytosquelettes de MTs et d'actine et également les mécanismes moléculaires sous-jacents. J'ai pu montrer que tau interagit simultanément avec les MTs et l'actine, induit le co-alignement des deux réseaux ainsi que leur croissance couplée. L'utilisation de formes tronquées de tau montre qu'au moins deux de ses quatre motifs répétés, initialement identifiés comme liant la tubuline, sont nécessaires à l'interaction entre les MTs et les filaments d'actine. Nous proposons un modèle selon lequel tau coordonne les deux cytosquelettes via la répartition de ses motifs répétés entre les deux types de polymères. J'ai également participé à une étude dans des neurones en culture, confirmant l'interaction directe de tau avec l'actine et la triple co-localisation tau/MTs/actine. L'ensemble de ces résultats nous ont donc permis d'identifier les bases moléculaires impliquées dans la formation des complexes macromoléculaires MTs/MTs et MTs/actine induits par tau. / Microtubules (MTs) are dynamic polymers involved in fundamental cellular processes such as cell division, migration and intracellular transport. Their dynamic properties and spatial organization are regulated by numerous Microtubule-Associated Proteins (MAPs). Tau is one of the first MAPs identified in neurons and is known to stabilize MTs and organize them into bundles in axons. Due to its involvement in Alzheimer's disease, this protein has been widely studied and its interaction with MTs is now quite well characterized. However, the mechanisms by which tau organizes MTs into bundles remain to be determined. The first aim of my thesis was to define the molecular basis of MT bundling, by using in vitro reconstitution of MT bundles and by monitoring them in real time using evanescent wave microscopy. Results show that tau's projection domain inhibits MT bundling, whereas the two hexapeptides in the tau's C-terminal domain that are involved in tau aggregation during Alzheimer's disease are fundamental for MT organization into bundles. Furthermore I focused on the effect of tau on the crosstalk between MTs and actin. Actin filaments are another major cytoskeletal elements. The coordination between MTs and actin filaments is essential for neuronal differentiation and activity. However, the effectors responsible for MTs/actin cooperation remain poorly characterized. Tau protein has been proposed to directly interact with actin filaments. Besides, tau has been observed in neuronal actin-rich compartments like the extremity of growing axons and synapses, in which MTs can enter transitorily. Thus tau appears as a potential molecular linker between MTs and actin filaments. By developing an original cell-free system to visualize concomitant MTs and actin assembly, I studied the role of tau in the coordination of MTs and actin filaments and characterized the underlying molecular mechanisms of this phenomenon. I showed that tau is able to interact simultaneously with MTs and actin filaments, inducing the co-alignment of both polymers and their coupled growth. By using truncated tau proteins, I showed that at least two of the four tau's repeat motifs, initially characterized to bind tubulin, are necessary for the MTs/actin interaction. We propose a model in which tau coordinates the two networks through the distribution of its repeat motifs between the two polymers. I also participated to a study in cultured neurons, which confirmed the direct association of tau with actin and a triple co-localization between MTs/actin and tau. Altogether, these results led us to identify the molecular basis involved in the formation of MTs/MTs and MTs/actin macromolecular complexes induced by tau.

Les microtubules sont des éléments clés du cytosquelette impliqué dans de nombreux processus cellulaires. Ce sont des structures dynamiques qui alternent continuellement entre polymérisation et dépolymérisation, un comportement appelé instabilité dynamique. Les microtubules sont particulièrement abondants dans les neurones et sont organisés sous formes de faisceaux dans les axones et les dendrites. Cette organisation particulière leur permet de maintenir la forme de ses cellules hautement spécialisées et d’assurer le transport intracellulaire d’éléments essentiels dans l’ensemble des compartiments neuronaux. De nombreux facteurs participe à la régulation de l’arrangement des microtubules dans les neurones. Parmi ces facteurs, la protéine tau fait partie de la famille des protéines associées aux microtubules (ou MAPs) et est majoritairement neuronale. Tau est un agent pontant majeur des microtubules et est également connue pour stabiliser les microtubules en stimulant leur polymérisation et en inhibant leur dépolymérisation. Malgré de nombreuses études sur l’interaction de tau avec les microtubules, les mécanismes par lesquels cette MAP contrôle leur organisation spatiale restent élusifs. Pour répondre à cette question, nous avons reconstitué in vitro des réseaux de microtubules en présence de divers isoformes, fragments et mutants de tau. La capacité de tau à induire des faisceaux stables de microtubules dépend de deux hexa-peptides localisés dans son domaine de liaison aux microtubules, et est régulée par son domaine de projection N-terminal. Nos résultats montrent que la phosphorylation spécifique de certains sites de tau inhibe soit la formation de faisceaux soit la stabilisation des microtubules, produisant des populations composées de microtubules individuels stable ou de faisceaux dynamiques. De plus, des mutations de tau impliquées dans des démences apparentées à la maladie d’Alzheimer augmentent drastiquement la capacité de tau à former des faisceaux composés de microtubules très dynamiques. Pour finir, des expériences de cryo-microscopie électroniques indiquent que tau génèrent des défauts dans la paroi des microtubules. Ces défauts sont connus pour assouplir les microtubules et pourraient donc constituer un mécanisme structural primaire permettant leur déformation au cours de la formation de faisceaux. En conclusion, nos résultats mettent en évidence un nouveau mécanisme phospho-dépendant par lequel tau régule l’organisation de réseaux de microtubules. De plus, ce travail révèle comment des modifications anormales de tau, telles que des phosphorylations anormales ou des mutations, peuvent altérer l’organisation du cytosquelette dans les maladies neurodégénératives. / Microtubules are key components of the eukaryotic cytoskeleton and are involved in major cellular events. They undergo constant remodeling through alternative cycles of growth and shrinkage of their extremities, a behavior known as dynamic instability. Microtubules are particularly abundant in neurons; they are organized into bundles within axons and dendrites to maintain the polarized shape of these highly specialized cells and to allow cargo transport. Numerous factors regulate the plasticity of the microtubule network in neurons. Among them, tau is a neuro-specific microtubule-associated protein (MAP). Tau is a major microtubule bundler also known to stabilize microtubules by promoting their growth and inhibiting their shrinkage. Although the interaction of tau with microtubules has been widely studied, the mechanisms by which this protein controls the spatial organization of microtubules remain elusive. To address this question, we reconstitute in vitro microtubule self-organization in presence of various tau isoforms, fragments and mutants. We find that the ability of tau to induce stable microtubule bundles depends on two conserved hexapeptides in tau’s microtubule-binding domain and is modulated by tau’s projection domain. Furthermore, our data demonstrate that site-specific phosphorylation of tau inhibits either microtubule bundling or stabilization generating alternative networks composed of stable single or dynamic bundled microtubules. We also show that some disease-related mutations closed to the hexapeptides strikingly enhance the capacity of tau to form bundles of highly dynamic microtubules. Finally, cryo-EM experiments indicate that tau proteins induce microtubule lattice defects known to soften microtubules, a primary structural change allowing microtubule-bending deformation during bundling. Overall, our results highlight novel phospho-dependent mechanisms by which tau regulates microtubule network organization. This work also reveals how abnormal modifications of tau, such as abnormal phosphorylation or mutations found in Alzheimer’s disease and related dementia, might alter cytoskeleton organization during neurodegeneration.

Le phénomène de morphogenèse est le fruit de la division des cellules et de leur expansion, qui sont contrôlées de façon différentielle selon les types cellulaires et les tissus. Dans le cas des plantes, le méristème apical caulinaire (MAC) produit de façon continue les organes aériens à partir de primordia qui sont initiés suite à l’accumulation locale d’une hormone végétale, l’auxine. Pour étudier le processus de formation des organes aériens, nous utilisons l’inflorescence d’Arabidopsis thaliana, dont les fleurs sont mises en place selon un patron régulier à partir de cellules dérivées de cellules souches. Au cours de ce processus, ARF5/MP– un facteur de réponse à l’auxine se liant à l’ADN – joue un rôle central. Une fois activé, il induit l’expression des facteurs de transcription LEAFY, AINTEGUMENTA et AINTEGUMENTA-LIKE6, qui sont nécessaires pour la spécification de l’identité florale et pour la croissance proliférative. A l’échelle cellulaire, des excroissances latérales sont initiées suite à des hétérogénéités locales de croissance. Dans les cellules végétales, ces différences sont dues à des modifications de la paroi cellulaire impliquant l’auxine et ses cibles, qui induisent des variations dans la dynamique des microtubules corticaux résultant en des changements de direction de croissance. Dans une moindre mesure, l’auxine diminue la rigidité des parois cellulaires préalablement à la formation d’un nouvel organe, conduisant à des changements de taux de croissance. Ceci est corrélé à l’activation transcriptionnelle de nombreux gènes qui sont impliqués dans les modifications de la paroi. Ainsi, la voie de signalisation de l’auxine régule l’initiation des primordia en intégrant d’une part l’activation d’un réseau de régulation transcriptionnelle et, d’autre part, la rigidité et l’anisotropie de la paroi cellulaire, impactant directement le taux et la direction de croissance.Cette thèse soutient l’idée selon laquelle l’initiation des organes dans le MAC repose sur des boucles de rétroaction là où des changements locaux de propriétés de la paroi cellulaire influent sur le réseau moléculaire. Il est probable que d’autres hormones soient nécessaires afin de canaliser l’initiation des organes. / The process of morphogenesis is driven by cell division and expansion, which are controlled ina differential manner among cell types and tissues. In plants, the above ground organs arecontinuously produced by the shoot apical meristem (SAM), where the initiation of newprimordia is triggered by the local accumulation of the plant hormone auxin. We study theprocess of morphogenesis in the inflorescence of Arabidopsis thaliana, where flowers areformed in a regular pattern from the SAM.The DNA-binding auxin response factor ARF5/MP plays a central role in the initiation offlowers. After its activation, it induces the expression of LEAFY, AINTEGUMENTA andAINTEGUMENTA-LIKE6 transcription factors necessary for the specification of floralidentity and proliferative growth. However, at the cellular level, the initiation of lateraloutgrowths depends on regional differences in growth. In plant cells, these processes areregulated via modifications of the cell wall. Auxin and its downstream targets are also involvedin these processes, by activating changes in the dynamics of the cortical microtubules, whichresult in changes in growth direction. Auxin also slightly reduces wall rigidity prior to organoutgrowth in the SAM, which results in changes in growth rate. This is correlated with thetranscriptional activation of a number of cell wall modifying genes.Thus, auxin signaling regulates primordium initiation by integrating the activation of atranscriptional regulatory network and both the stiffness and anisotropy of the cell wall, whichdirectly influence the rate and direction of growth.The findings of this thesis provide evidence indicating that the mechanisms of organ initiationat the SAM involve feedbacks where changes in the local properties of the cell wall influencethe molecular regulation of the transcriptional regulatory network. Our results suggest that thismight require the influence from other hormones, different from auxin, that funnel theinitiation of lateral outgrowths.