Il existe de nombreux mécanismes impliqués dans le développement des tissus qui nécessitent que des cellules ou des groupes de cellules s’orientent et se polarisent. Les protéines de la voie de la polarité planaire (PP) s’associent pour former des complexes à la membrane et créer des asymétries proximo-distale. Vangl2 et Scrib1 ont été identifiés comme les deux premiers gènes impliqués dans la PP chez les mammifères. Lors de ma thèse, je me suis intéressé à ces deux protéines et à certains des complexes dans lesquelles elles sont impliquées. Dans un premier temps, nous avons montré l’implication directe de Scribble1 dans le trafic après endocytose des récepteurs NMDA. Scrib1 interagit avec les récepteurs NMDA grâce à ses domaines PDZ. Scribble1 peut interagir avec le complexe AP2 qui intervient dans l’endocytose des récepteurs. Cette étude a permis de définir un nouveau mécanisme dans lequel Scrib1 régule la quantité de récepteurs NMDA à la membrane et donc participe à la plasticité synaptique. Vangl2 est l’une des protéines transmembranaires les plus en amont de la voie de la PP. Nous avons identifié un nouveau partenaire nommé "Axin Interaction partner and Dorsalization Antagonist" (AIDA). Nous avons montré, par double hybride en levure et pull down, l’interaction de Vangl2 avec les deux isoformes de AIDA et leur colocalisation en COS7 et neurones. Ensemble, ces données présentent AIDA comme un très bon candidat pour le maintien de Vangl2 aux jonctions adhérentes et/ou pour son adressage à la membrane. Ces études nous ont permis d’améliorer notre compréhension des mécanismes impliquant les protéines de la polarité planaire. / There are many mechanisms involved in the development of tissues that require cells or groups of cells orient and polarize. The proteins of the planar cell polarity (PCP) combine to form complexes with the membrane and create proximal-distal asymmetries. Vangl2 and Scrib1 have been identified as the first two genes involved in the PCP in mammals. In this study, I am interested in these two proteins and some of the complex in which they are involved. At first, using techniques of biochemistry, cell biology and biophysics, we showed the direct involvement of Scribble1 in traffic after endocytosis of NMDA receptors. Scrib1 interacts with NMDA receptors through its PDZ domains. Due to this binding motif between PDZ1 and PDZ2 of Scrib1, it can interact with the AP2 complex which is involved in receptor endocytosis. This study has identified a new mechanism in which Scrib1 regulates the amount of NMDA receptors on the membrane and is therefore involved in synaptic plasticity. Vangl2 is a transmembrane protein of the most upstream of the PCP pathway. We have identified a new partner named "Axin Interaction partner and Dorsalization Antagonist" (AIDA). We have shown, by yeast two-hybrid and pull down the interaction of Vangl2 with two isoforms of AIDA and collocation in COS7 and neurons. Together, these data show AIDA as a very good candidate for maintaining Vangl2 to adherens junctions and/or its membrane targeting. These studies have allowed us to improve our understanding of the mechanisms involving the planar polarity proteins.

The AER has a vital role in directing embryonic limb development. Several models have been developed that attempt to explain how the AER directs limb development, but none of them are fully supported by existing data. I provide evidence that FGFs secreted from the AER induce a gradient of Wnt5a. I also demonstrate that limb mesenchyme grows toward increasing concentrations of Wnt5a. We hypothesize that the changing shape of the AER is critical for patterning the limb along the proximal to distal axis. To better understand the pathway through which Wnt5a elicits its effects, we have performed various genetic studies. We demonstrate that Wnt5a does not signal via the Wnt/β-catenin pathway. However, we show that Wnt5a mutants share many common defects with Vangl2 mutants suggesting that Wnt5a signals through the Wnt/planar cell polarity (PCP) pathway.

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating both environmental and genetic factors. The mouse model represents a powerful tool to investigate the genetics of NTDs. Particularly, mouse mutants at genes belonging to the planar polarity pathway (PCP) developed severe forms of NTDs strongly implicating this pathway in the pathogenesis of NTDs. In this study, we identified and characterized a novel mouse mutant, Skam26Jus, as a model for NTDs. Skam26Jus was generated by N-Ethyl-N-Nitrosuera mutagenesis and displayed a characteristic kinky or loop tail that is considered as the minimal sign if NTDs. Complementation of Skam26Jus mutant with a PCP mouse mutant called Looptail (Lp) showed a genetic interaction between Skam26Jus and Vangl2, the gene mutated in Lp. This led to spina bifida in 50% of double heterozygotes with a kinky or looptail phenotype. Homozygosity mapping followed by a positional candidate gene approach led to the identification of Lrp6 as the gene mutated in Skam26Jus. We detected a homozygous mutation, p.Ile681Arg, in Lrp6 in Skam26Jus mice having loop/kinky tail phenotype. This mutation was absent in 30 inbred strains analyzed indicating that it is disease specific. Genotype-phenotype studies indicated a 52 % penetrance of the p.Ile681Arg mutation. Lrp6 is known to activate Wnt canonical β-catenin pathway and inhibit Wnt non canonical PCP pathway. Sequencing analysis of the open reading frame and exon-intron junctions of human LRP6 in 268 NTD patients led to the identification of 4 novel rare missense mutations that were absent in 272 controls analyzed and in all public databases. These mutations were p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile ; p.Tyr1541Cys, and of these, p.Val1386Iso was predicted to be benign, and p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys and p.Tyr1541Cys were predicted to be possibly pathogenic using bioinformatics tools. Functional validation of these mutations with the luciferase reporter system pTOPflash assay demonstrated that mutation p.Tyr306His, p.Tyr373Cys and iii p.Tyr1541Cys reduced the ability of LRP6 to activate the Wnt canonical β-catenin pathway. Our data suggest that LRP6 could play a role in the development of NTDs in a small fraction of NTD patients. Our study also presents Skam26Jus as a new mouse model for the study of human NTDs and provides an important tool for better understanding of the molecular pathogenic mechanisms underlying NTDs.

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales parmi les plus fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés par 1000 naissances. Elles résultent d’un défaut de fermeture du tube neural pendant l’embryogenèse. Les formes les plus courantes d'ATN chez l'homme sont l'anencéphalie et le spina-bifida. Leur étiologie est complexe impliquant à la fois des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. Un dérèglement dans la signalisation Wnt, incluant la signalisation canonique Wnt/β-caténine et non-canonique de la polarité planaire cellulaire (PCP), peut causer respectivement le cancer ou les anomalies du tube neural (ATN). Les deux voies semblent s’antagoniser mutuellement. Dans cette étude, nous investiguons les rôles de Lrp6 et deANKRD6, entant qu’interrupteurs moléculaires entre les deux voies de signalisation Wnt, et CELSR1, en tant que membre de la PCP, chez la souris mutante Skax26m1Jus, générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera, et dans une cohorte de patients humains ATN. Pour Lrp6, nous avons démontré que Skax26m1Jus représente un allèle hypermorphe de Lrp6 avec une augmentation de l’activité de la signalisation Wnt/canonique et une diminution de l’activité JNK induite par la voie PCP. Nous avons également montré que Lrp6Skax26m1Jus interagit génétiquement avec un mutant PCP (Vangl2Lp) où les doubles hétérozygotes ont montré une fréquence élevée d’ATN et des défauts dans la polarité des cellules ciliées de la cochlée. Particulièrement, notre étude démontre l'association des nouvelles et rares mutations faux-sens dans LRP6 avec les ATN humaines. Nous montrons que trois mutations de LRP6 causent une activité canonique réduite et non-canonique élevée. Pour ANKRD6, nous avons identifié quatre nouvelles et rares mutations faux-sens chez 0,8% des patients ATN et deux chez 1,3% des contrôles. Notamment, seulement deux, des six mutations validées (p.Pro548Leu et p.Arg632His) ont démontré un effet significatif sur l’activité de ANKRD6 selon un mode hypomorphique. Pour CELSR1, nous avons identifié une mutation non-sens dans l'exon 1 qui supprime la majeure partie de la protéine et une délétionde 12 pb. Cette perte de nucléotides ne change pas le cadre de lecture et élimine un motif putatif de phosphorylation par la PKC " SSR ". Nous avons également détecté un total de 13 nouveaux et rares variants faux-sens qui avaient été prédits comme étant pathogènes in silico. Nos données confirment le rôle inhibiteur de Lrp6 dans la signalisation PCP pendant la neurulation et indiquent aussi que les mutations faux-sens identifiées chez LRP6 et ANKRD6 pourraient affecter un équilibre réciproque et un antagonisme très sensible à un dosage précis entre les deux voies Wnt. Ces variants peuvent aussi agir comme facteurs prédisposants aux ATN. En outre, nos résultats impliquent aussi CELSR1 comme un facteur de risque pour les anomalies du tube neural ou l’agénésie caudale. Nos résultats fournissent des preuves supplémentaires que la voie de signalisation PCP a un rôle pathogène dans ces malformations congénitales et un outil important pour mieux comprendre leurs mécanismes moléculaires. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating environmental and genetic factors. Wnt signaling has been classified as canonical Wnt/ β-catenin dependent or non-canonical planar cell polarity (PCP) pathway. Misregulation of either pathway is linked mainly to cancer or neural tube defects (NTDs) respectively. Both pathwaysseem to antagonize each other. In this study, we investigate the role of Lrp6andANKRD6 as molecular switches between both Wnt pathways as well as CELSR1 as PCP member, in a novel ENU mouse mutant of Lrp6 (Skax26m1Jus) and in human NTDs. For Lrp6, we demonstrate that Skax26m1Jus represents a hypermorphic allele of Lrp6 with increased Wnt canonical and abolished PCP-induced JNK activities. We also show that Lrp6Skax26m1Jusgenetically interacts with a PCP mutant (Vangl2Lp) where double heterozygotes showed an increased frequency of NTDs and defects in cochlear hair cells’ polarity. Importantly, our study also demonstrates the association of rare and novel missense mutations in LRP6 that is an inhibitor rather than an activator of the PCP pathway with human NTDs. We show that three LRP6 mutations in NTDs led to a reduced Wnt canonical activity and enhanced PCP signaling. For ANKRD6: We identified four rare missense mutations in 0.8% of the NTD patients and 2 rare missense mutations in 1.3% of the controls. Notably, when all 6 mutations were validated, only two mutations identified in NTD patients, p.Pro548Leu, p.Arg632His, significantly altered DIVERSIN activity in Wnt signaling assays in a hypomorphic fashion. For CELSR1: We identified one nonsense mutation in exon 1 of CELSR1 that truncates the majority of the protein in one NTD patient and one in-frame 12 bp deletion that removes a putative PKC phosphorylation“SSR” motif in one caudal agenesis patient. We also detected a total of 13 novel missense variants in 12 patients (11 NTDs and 1 caudal agenesis) that were predicted to be pathogenic in silico. Our data confirm an inhibitory role of Lrp6 in PCP signaling in neurulation and indicate that rare missense mutations in LRP6 and ANKRD6 could affect a balanced reciprocal and a highly dosage sensitive antagonism between both Wnt pathways in neurulation and act as predisposing factors to NTDs in a subset of patients. Also, our findings implicate CELSR1 as a risk factor for NTDs or caudal agenesis. Our findings provide additional evidence for a pathogenic role of PCP signaling in thesemalformations and an important tool for better understanding their molecular mechanisms.

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating both environmental and genetic factors. The mouse model represents a powerful tool to investigate the genetics of NTDs. Particularly, mouse mutants at genes belonging to the planar polarity pathway (PCP) developed severe forms of NTDs strongly implicating this pathway in the pathogenesis of NTDs. In this study, we identified and characterized a novel mouse mutant, Skam26Jus, as a model for NTDs. Skam26Jus was generated by N-Ethyl-N-Nitrosuera mutagenesis and displayed a characteristic kinky or loop tail that is considered as the minimal sign if NTDs. Complementation of Skam26Jus mutant with a PCP mouse mutant called Looptail (Lp) showed a genetic interaction between Skam26Jus and Vangl2, the gene mutated in Lp. This led to spina bifida in 50% of double heterozygotes with a kinky or looptail phenotype. Homozygosity mapping followed by a positional candidate gene approach led to the identification of Lrp6 as the gene mutated in Skam26Jus. We detected a homozygous mutation, p.Ile681Arg, in Lrp6 in Skam26Jus mice having loop/kinky tail phenotype. This mutation was absent in 30 inbred strains analyzed indicating that it is disease specific. Genotype-phenotype studies indicated a 52 % penetrance of the p.Ile681Arg mutation. Lrp6 is known to activate Wnt canonical β-catenin pathway and inhibit Wnt non canonical PCP pathway. Sequencing analysis of the open reading frame and exon-intron junctions of human LRP6 in 268 NTD patients led to the identification of 4 novel rare missense mutations that were absent in 272 controls analyzed and in all public databases. These mutations were p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile ; p.Tyr1541Cys, and of these, p.Val1386Iso was predicted to be benign, and p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys and p.Tyr1541Cys were predicted to be possibly pathogenic using bioinformatics tools. Functional validation of these mutations with the luciferase reporter system pTOPflash assay demonstrated that mutation p.Tyr306His, p.Tyr373Cys and iii p.Tyr1541Cys reduced the ability of LRP6 to activate the Wnt canonical β-catenin pathway. Our data suggest that LRP6 could play a role in the development of NTDs in a small fraction of NTD patients. Our study also presents Skam26Jus as a new mouse model for the study of human NTDs and provides an important tool for better understanding of the molecular pathogenic mechanisms underlying NTDs.

An essential prerequisite for the existence of multi-cellular life is the organization of cells into tissues. In this thesis, we theoretically study how large-scale tissue properties can emerge from the collective behavior of individual cells. To this end, we focus on the properties of epithelial tissue, which is one of the major tissue types in animals. We study how rheological properties of epithelia emerge from cellular processes, and we develop a physical description for the dynamics of an epithelial cell polarity. We apply our theoretical studies to observations in the developing wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster. In order to study epithelial mechanics, we first develop a geometrical framework that rigorously describes the deformation of two-dimensional cellular networks. Our framework decomposes large-scale deformation into cellular contributions. For instance, we show how large-scale tissue shear decomposes into contributions by cell shape changes and into contributions by different kinds of topological transitions. We apply this framework in order to quantify the time-dependent deformation of the fruit fly wing, and to decompose it into cellular contributions. We also use this framework as a basis to study large-scale rheological properties of epithelia and their dependence on cellular fluctuations. To this end, we represent epithelial tissues by a vertex model, which describes cells as elastic polygons. We extend the vertex model by introducing fluctuations on the cellular scale, and we develop a method to perform perpetual simple shear simulations. Analyzing the steady state of such simple shear simulations, we find that the rheological behavior of vertex model tissue depends on the fluctuation amplitude. For small fluctuation amplitude, it behaves like a plastic material, and for high fluctuation amplitude, it behaves like a visco-elastic fluid. In addition to analyzing mechanical properties, we study the reorientation of an epithelial cell polarity. To this end, we develop a simple hydrodynamic description for polarity reorientation. In particular, we account for polarity reorientation by tissue shear, by another polarity field, and by local polarity alignment. Furthermore, we develop methods to quantify polarity patterns based on microscopical images of the fly wing. We find that our hydrodynamic description does not only account for polarity reorientation in wild type fly wings. Moreover, it is for the first time possible to also account for the observed polarity patterns in a number of genetically altered flies. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz mehrzelligen Lebens ist, dass sich einzelne Zellen sinnvoll zu Geweben ergänzen können. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie großskalige Eigenschaften von Geweben aus dem kollektiven Verhalten einzelner Zellen hervorgehen. Dazu konzentrieren wir uns auf Epitheliengewebe, welches eine der Grundgewebearten in Tieren darstellt. Wir stellen theoretische Untersuchungen zu rheologischen Eigenschaften und zu zellulärer Polarität von Epithelien an. Diese theoretischen Untersuchungen vergleichen wir mit experimentellen Beobachtungen am sich entwickelnden Flügel der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Um die Mechanik von Epithelien zu untersuchen, entwickeln wir zunächst eine geometrische Beschreibung für die Verformung von zweidimensionalen zellulären Netzwerken. Unsere Beschreibung zerlegt die mittlere Verformung des gesamten Netzwerks in zelluläre Beitrage. Zum Beispiel wird eine Scherverformung des gesamten Netzwerks auf der zellulären Ebene exakt repräsentiert: einerseits durch die Verformung einzelner Zellen und andererseits durch topologische Veränderungen des zellulären Netzwerks. Mit Hilfe dieser Beschreibung quantifizieren wir die Verformung des Fliegenflügels während des Puppenstadiums. Des Weiteren führen wir die Verformung des Flügels auf ihre zellulären Beiträge zurück. Wir nutzen diese Beschreibung auch als Ausgangspunkt, um effektive rheologische Eigenschaften von Epithelien in Abhängigkeit von zellulären Fluktuationen zu untersuchen. Dazu simulieren wir Epithelgewebe mittels eines Vertex Modells, welches einzelne Zellen als elastische Polygone abstrahiert. Wir erweitern dieses Vertex Modell um zelluläre Fluktuationen und um die Möglichkeit, Schersimulationen beliebiger Dauer durchzuführen. Die Analyse des stationären Zustands dieser Simulationen ergibt plastisches Verhalten bei kleiner Fluktuationsamplitude und visko-elastisches Verhalten bei großer Fluktuationsamplitude. Neben mechanischen Eigenschaften untersuchen wir auch die Umorientierung einer Zellpolarität in Epithelien. Dazu entwickeln wir eine einfache hydrodynamische Beschreibung für die Umorientierung eines Polaritätsfeldes. Wir berücksichtigen dabei insbesondere Effekte durch Scherung, durch ein anderes Polaritätsfeld und durch einen lokalen Gleichrichtungseffekt. Um unsere theoretische Beschreibung mit experimentellen Daten zu vergleichen, entwickeln wir Methoden um Polaritätsmuster im Fliegenflügel zu quantifizieren. Schließlich stellen wir fest, dass unsere hydrodynamische Beschreibung in der Tat beobachtete Polaritätsmuster reproduziert. Das gilt nicht nur im Wildtypen, sondern auch in genetisch veränderten Tieren.

Abstract Organogenesis involves precursor cells proliferation, differentiation along with their coordinated organization into precise multicellular arrangements by planar cell polarity (PCP) pathways. The beta-catenin independent/non-canonical type of Wnt-11 signaling has been known as a PCP modulator during development. In this thesis were analyzed the roles of Wnt-11 in heart and kidney development by using in vivo functional genomics technologies. We show that the Wnt-11 gene is important for murine ventricular myocardium development, since Wnt-11 deficiency in early cardiogenesis leads to impaired organization and maturation of mouse ventricular cardiomyocytes, causing primary cardiomyopathy with in utero lethality. Wnt-11 coordinates the co-localized expression of the cell adhesion molecules N-cadherin and β-catenin, which are critical for the spatially specific organization of cardiomyocytes. We show that Wnt-11 deficiency causes primary hypertrophic and noncompaction cardiomyopathy in adult mice, with consequences for regional myocardium function. The Wnt family of secreted signals has been implicated in kidney tubule development and tubular cystic diseases such as polycystic kidney disease. We show here that Wnt-11 is expressed in mature nephrons and is involved in late steps of nephrogenesis, since the kidney tubule organization is deregulated in Wnt-11 deficient kidneys, to enlarged lumen with increased convolution. These tubule abnormalities are associated with glomerular microcyst formation and kidney failure. Wnt-11 deficiency reduced significantly Wnt-9b expression, a critical signal for PCP-mediated kidney tubule elongation. In the cortical region this associated with reduced expression of nephron and stromal progenitor cell marker. The results in this thesis point out that Wnt-11 function is required for proper myocardium organization and maturation as well as proper morphogenesis of the kidney tubules during the embryonic and postnatal developmental stages. Wnt-11 knockout phenotypes depend on the genetic background, similarly to human congenital disease. This data may be relevant for human congenital cardiomyopathy and glomerulocystic kidney disease studies. / Tiivistelmä Alkion sisäelinten kehityksen aikana esisolut lisääntyvät ja erilaistuvat muodostaen tarkoin määriteltyjä monisoluisia rakenteita. Muodostuvan kudosrakenteen määrittelyssä erilaiset solusignaalit ovat keskeisessä asemassa. Yksi näistä on nk. Wnt signaali perhe. Wnt perheeen jäsen Wnt-11 tehtävät on huonosti tunnettu. Wnt-11 viestittää ilmeisesti nk. planaaristen solupolariteettireittien (PCP) avulla, joka on beeta-kateniinista riippumattoman nk. ei-kanonisen Wnt signaali. Väitöskirjatyössä selvitettiin Wnt-11:n vaikutuksia sydämen ja munuaisten kehitykseen in vivo funktionaalisten genomisten menetelmien avulla. Ihmisen synnynnäiset kardiomyopatiat ovat sydänlihaksen ensisijaisia vaurioita, joiden taustalla on sydänlihaksen kehityshäiriö. Tutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11-geenillä on tärkeä merkitys hiiren sydänkammion kehitykselle, koska Wnt-11-geenin puute sydämen varhaisen kehityksen vaiheessa johtaa sydänlihassolujen järjestäytymisen ja kypsymisen häiriintymiseen, jolloin seurauksena on ensisijaisesta kardiomyopatiasta johtuva sikiökuolema. Wnt-11 koordinoi kahden solukiinnitysmolekyylin, N-kadheriinin ja β-kateniinin, samanaikasta ilmentymistä. Kyseiset molekyylit ovat keskeisen tärkeitä sydänlihasssolujen spatiaalisen järjestäytymisen kannalta. Tutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11-puutos aiheuttaa aikuisilla hiirillä ensisijaista sydänlihaksen liikakasvua ja trabekuloivaa kardiomyopatiaa, mikä vaikuttaa sydänlihaksen toimintaan. Tuloksilla voi olla merkitystä tutkittaessa ihmisen synnynnäisiä kardiomyopatioita. Wnt-signaaliperheen on osoitettu olevan yhteydessä munuaisputken kehitykseen ja sen sairauksiin, kuten munuaisten monirakkulatautiin. Väitöstutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11 ilmentyy kypsissä nefroneissa ja että se osallistuu nefrogeneesiin myöhempiin vaiheisiin, koska munuaisputken kehityksen säätely on poikkeavaa niissä munuaisissa, joista Wnt-11 puuttuu. Seurauksena on laajentunut, normaalia poimuttuneempi luumen. Munuaisputken poikkeavuuksilla oli yhteyttä munuaiskerästen mikrokystien muodostumiseen sekä munuaisten vajaatoimintaan. Wnt-11 -puute vähensi huomattavasti Wnt-9b-ilmentymistä, joka on PCP-välitteisen munuaisputken pidentymisen kannalta keskeisen tärkeä signaali. Kortikaalialueella Wnt9b:n vaimennussäätely liittyi poikkeavaan solujen lisääntymiseen, apoptoosiin ja kypsymiseen sekä vähentyneeseen nefroni- ja stroomakantasolujen merkkiaineen ilmentymiseen. Väitöskirjatutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että Wnt-11 -toiminto on välttämätön sydänlihaksen normaalin muodostumisen ja kypsymisen sekä munuaisputken normaalin morfogeneesin kannalta sikiövaiheen ja syntymän jälkeisen kehityksen aikana. Wnt-11 -poistogeenisen hiiren fenotyypi riippuu geneettisestä tausta, samaan tapaan kuin ihmisen synnynnäisissä sairauksissa. Väitöstutkimuksesta saatavalla tiedolla voi olla merkitystä tutkittaessa ihmisen synnynnnäistä kardiomyopatiaa ja munuaisten monirakkulatautia.

An essential prerequisite for the existence of multi-cellular life is the organization of cells into tissues. In this thesis, we theoretically study how large-scale tissue properties can emerge from the collective behavior of individual cells. To this end, we focus on the properties of epithelial tissue, which is one of the major tissue types in animals. We study how rheological properties of epithelia emerge from cellular processes, and we develop a physical description for the dynamics of an epithelial cell polarity. We apply our theoretical studies to observations in the developing wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster. In order to study epithelial mechanics, we first develop a geometrical framework that rigorously describes the deformation of two-dimensional cellular networks. Our framework decomposes large-scale deformation into cellular contributions. For instance, we show how large-scale tissue shear decomposes into contributions by cell shape changes and into contributions by different kinds of topological transitions. We apply this framework in order to quantify the time-dependent deformation of the fruit fly wing, and to decompose it into cellular contributions. We also use this framework as a basis to study large-scale rheological properties of epithelia and their dependence on cellular fluctuations. To this end, we represent epithelial tissues by a vertex model, which describes cells as elastic polygons. We extend the vertex model by introducing fluctuations on the cellular scale, and we develop a method to perform perpetual simple shear simulations. Analyzing the steady state of such simple shear simulations, we find that the rheological behavior of vertex model tissue depends on the fluctuation amplitude. For small fluctuation amplitude, it behaves like a plastic material, and for high fluctuation amplitude, it behaves like a visco-elastic fluid. In addition to analyzing mechanical properties, we study the reorientation of an epithelial cell polarity. To this end, we develop a simple hydrodynamic description for polarity reorientation. In particular, we account for polarity reorientation by tissue shear, by another polarity field, and by local polarity alignment. Furthermore, we develop methods to quantify polarity patterns based on microscopical images of the fly wing. We find that our hydrodynamic description does not only account for polarity reorientation in wild type fly wings. Moreover, it is for the first time possible to also account for the observed polarity patterns in a number of genetically altered flies.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography / Eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz mehrzelligen Lebens ist, dass sich einzelne Zellen sinnvoll zu Geweben ergänzen können. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie großskalige Eigenschaften von Geweben aus dem kollektiven Verhalten einzelner Zellen hervorgehen. Dazu konzentrieren wir uns auf Epitheliengewebe, welches eine der Grundgewebearten in Tieren darstellt. Wir stellen theoretische Untersuchungen zu rheologischen Eigenschaften und zu zellulärer Polarität von Epithelien an. Diese theoretischen Untersuchungen vergleichen wir mit experimentellen Beobachtungen am sich entwickelnden Flügel der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Um die Mechanik von Epithelien zu untersuchen, entwickeln wir zunächst eine geometrische Beschreibung für die Verformung von zweidimensionalen zellulären Netzwerken. Unsere Beschreibung zerlegt die mittlere Verformung des gesamten Netzwerks in zelluläre Beitrage. Zum Beispiel wird eine Scherverformung des gesamten Netzwerks auf der zellulären Ebene exakt repräsentiert: einerseits durch die Verformung einzelner Zellen und andererseits durch topologische Veränderungen des zellulären Netzwerks. Mit Hilfe dieser Beschreibung quantifizieren wir die Verformung des Fliegenflügels während des Puppenstadiums. Des Weiteren führen wir die Verformung des Flügels auf ihre zellulären Beiträge zurück. Wir nutzen diese Beschreibung auch als Ausgangspunkt, um effektive rheologische Eigenschaften von Epithelien in Abhängigkeit von zellulären Fluktuationen zu untersuchen. Dazu simulieren wir Epithelgewebe mittels eines Vertex Modells, welches einzelne Zellen als elastische Polygone abstrahiert. Wir erweitern dieses Vertex Modell um zelluläre Fluktuationen und um die Möglichkeit, Schersimulationen beliebiger Dauer durchzuführen. Die Analyse des stationären Zustands dieser Simulationen ergibt plastisches Verhalten bei kleiner Fluktuationsamplitude und visko-elastisches Verhalten bei großer Fluktuationsamplitude. Neben mechanischen Eigenschaften untersuchen wir auch die Umorientierung einer Zellpolarität in Epithelien. Dazu entwickeln wir eine einfache hydrodynamische Beschreibung für die Umorientierung eines Polaritätsfeldes. Wir berücksichtigen dabei insbesondere Effekte durch Scherung, durch ein anderes Polaritätsfeld und durch einen lokalen Gleichrichtungseffekt. Um unsere theoretische Beschreibung mit experimentellen Daten zu vergleichen, entwickeln wir Methoden um Polaritätsmuster im Fliegenflügel zu quantifizieren. Schließlich stellen wir fest, dass unsere hydrodynamische Beschreibung in der Tat beobachtete Polaritätsmuster reproduziert. Das gilt nicht nur im Wildtypen, sondern auch in genetisch veränderten Tieren.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des anomalies développementales où le tube neural reste ouvert (1-2/1000 naissances). Afin de prévenir cette maladie, une connaissance accrue des processus moléculaires est nécessaire. L’étiologie des ATN est complexe et implique des facteurs génétiques et environnementaux. La supplémentation en acide folique est reconnue pour diminuer les risques de développer une ATN de 50-70% et cette diminution varie en fonction du début de la supplémentation et de l’origine démographique. Les gènes impliqués dans les ATN sont largement inconnus. Les études génétiques sur les ATN chez l’humain se sont concentrées sur les gènes de la voie métabolique des folates du à leur rôle protecteur dans les ATN et les gènes candidats inférés des souris modèles. Ces derniers ont montré une forte association entre la voie non-canonique Wnt/polarité cellulaire planaire (PCP) et les ATN. Le gène Protein Tyrosine Kinase 7 est un membre de cette voie qui cause l’ATN sévère de la craniorachischisis chez les souris mutantes. Ptk7 interagit génétiquement avec Vangl2 (un autre gène de la voie PCP), où les doubles hétérozygotes montrent une spina bifida. Ces données font de PTK7 comme un excellent candidat pour les ATN chez l’humain. Nous avons re-séquencé la région codante et les jonctions intron-exon de ce gène dans une cohorte de 473 patients atteints de plusieurs types d’ATN. Nous avons identifié 6 mutations rares (fréquence allélique <1%) faux-sens présentes chez 1.1% de notre cohorte, dont 3 sont absentes dans les bases de données publiques. Une variante, p.Gly348Ser, a agi comme un allèle hypermorphique lorsqu'elle est surexprimée dans le modèle de poisson zèbre. Nos résultats impliquent la mutation de PTK7 comme un facteur de risque pour les ATN et supporte l'idée d'un rôle pathogène de la signalisation PCP dans ces malformations. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital defects with a high incidence of 1-2 per 1000 births, causing a heavy burden to both the families and society. Various types of NTDs result from defects happening in the neurulation process during vertebrate embryonic development. In order to prevent the occurrence of NTDs, understanding the underlying mechanism is a prerequisite. The etiology of NTDs is complex involving environmental and genetic factors. Folic acid supplementation was proven to efficiently decrease the frequency of NTDs by 50-70% depending on the time point of this supplementation and demographic background. Gene identification studies in NTDs have adopted mainly a candidate gene approach investigating folate-related genes and genes derived from animal models. In particular, studies in mouse models have demonstrated a strong association between the non canonical Wnt/Planar Cell Polarity (PCP) pathway and NTDs. Protein Tyrosine Kinase 7 (PTK7) is a member of the PCP pathway and was shown to cause a very severe form of NTDs called craniorachischisis in a mouse model. Ptk7 genetically interacts with a core PCP member Vangl2 where double heterozygotes suffer from spina bifida. These data make PTK7 a strong candidate for NTDs in humans. We sequenced the coding region and the exon-intron junctions of PTK7 in a cohort of 473 patients affected with various forms of open and closed NTDs. Novel and rare variants (<1%) were genotyped in a cohort of 473 individuals. Their pathogenic effect was predicted in silico and functionally in an overexpression assay in a well established zebrafish model. We identified in our cohort 6 novel rare mutations, 3 of which are absent in all public databases, in 1.1% of our NTD cohort. One variant, p.Gly348Ser, acted as a hypermorph when overexpressed in the zebrafish model. Our findings implicate mutation of PTK7 as a risk factor for NTDs and provide additional evidence for a pathogenic role of PCP signaling in these malformations.

The mechanisms that order cellular packing geometry are critical for the functioning of many tissues, but are poorly understood. Here we investigate this problem in the developing wing of Drosophila. The surface of the wing is decorated by hexagonally packed hairs that are uniformly oriented towards the distal wing tip. They are constructed by a hexagonal array of wing epithelial cells. We find that wing epithelial cells are irregularly arranged throughout most of development but become hexagonally packed shortly before hair formation. During the process, individual cell junctions grow and shrink, resulting in local neighbor exchanges. These dynamic changes mediate hexagonal packing and require the efficient delivery of E-cadherin to remodeling junctions; a process that depends on both the large GTPase Dynamin and the function of Rab11 recycling endosomes. We suggest that E-cadherin is actively internalized and recycled as wing epithelial cells pack into a regular hexagonal array. Hexagonal packing furthermore depends on the activity of the Planar Cell Polarity proteins. The Planar Cell Polarity group of proteins coordinates complex and polarized cell behavior in many contexts. No common cell biological mechanism has yet been identified to explain their functions in different tissues. A genetic interaction between Dynamin and the Planar Cell Polarity mutants suggests that the planar cell polarity proteins may modulate Dynamin-dependent trafficking of E-cadherin to enable the dynamic remodeling of junctions. We furthermore show that the Planar Cell Polarity protein Flamingo can recruit the exocyst component Sec5. Sec5 vesicles also co-localizes with E-cadherin and Flamingo. Based on these observations we propose that during the hexagonal repacking of the wing epithelium these proteins polarize the trafficking of E-cadherin-containing exocyst vesicles to remodeling junctions. The work presented in this thesis shows that one of the basic cellular functions of planar cell polarity signaling may be the regulation of dynamic cell adhesion. In doing so, the planar cell polarity pathway mediates the acquisition of a regular packing geometry of Drosophila wing epithelial cells. We identify polarized exocyst-dependent membrane traffic as the first basic cellular mechanism that can explain the role of PCP proteins in different developmental systems.