京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第24141号 / 医科博第142号 / 新制||医科||9(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 松田 道行, 教授 斎藤 通紀, 教授 妹尾 浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les cellules épithéliales changent en forme et en nombre au cours de divers processus morphogénétiques pendant le développement. La dynamique du réseau d’acto-myosine en interaction directe avec les jonctions adhérentes (JA) est à la base de ces mouvements cellulaires. Cependant, les mécanismes qui régulent cette dynamique cellulaire et moléculaire dans l’espace et le temps sont peu étudiés. Durant les stades précoces de l’ovogenèse chez la drosophile, le follicule ovarien est une sphère composée d'un cyste germinal recouvert d'un épithélium folliculaire monocouche d'origine somatique. Aux pôles de cette structure, un groupe de cellules, les Cellules Polaires (CP), sont produites en excès (3-6 cellules) au début de l'ovogenèse, et ensuite subissent une mort cellulaire programmée apoptotique entre les stades 2 et 4 de l’ovogenèse. De cette façon, à partir du stade 5 tous les pôles contiendront 2CP. Les CP sont l’unique source de sécrétion du ligand de la voie de signalisation JAK/STAT, Unpaired. Notre équipe a démontré que l’activation autonome et non-autonome cellulaire de la voie JAK/STAT est nécessaire pour l'apoptose développementale des CP. Grâce à l’utilisation de l’imagerie confocale en temps réel ainsi que sur des tissus fixés, j’ai établi une séquence d’évènements stéréotypés qui a lieu pendant l’élimination des CP surnuméraires. Trois phases ont été identifiées dans cette séquence: 1) une phase lente de remodelage cellulaire dépendante de la voie de signalisation JAK/STAT au cours de laquelle chaque CP à être éliminée est totalement enveloppée par les CP voisines (plus de 7h) ; 2) une phase d’activation de la cascade canonique de l’apoptose, commençant lorsque la PC est entièrement enveloppée, suivie d’un détachement puis d’une extrusion latérale des corps apoptotiques (1h) ; et 3) une phase de phagocytose des corps apoptotiques par les Cellules Folliculaires (CF) voisines (plus de 5h). Ensuite, en utilisant une approche gènes candidats, j’ai effectué des perturbations génétiques de la Myosine, de la Cadhérine et de différents régulateurs de l’Actine dans les CF et/ou dans les CP, ainsi que des analyses de la dynamique de certaines de ces molécules. Ces expériences m’ont permis de déterminer que la fonction de ces molécules est nécessaire dans les CF pour le processus d’élimination des CP surnuméraires. Finalement un lien entre la signalisation JAK/STAT et la dynamique de la Myosine a été mis en évidence. / Epithelial cells change in shape and number over the various morphogenetic processes occurring during development. The dynamics of the acto-myosin network in direct interaction with adherens junctions is the basis of these cell movements. However, the mechanisms regulating these cellular and molecular dynamics in space and time have not been much studied. During the early stages of oogenesis in Drosophila, the ovarian follicle is a sphere composed of a germline cyst surrounded by a mono-layered follicular epithelium of somatic origin. At the poles of this structure, a group of cells, the Polar Cells (PCs), which are produced in excess (3-6 cells) during early oogoenesis, undergo apoptotic programmed cell death between stages 2-4 of oogenesis, thus that as of stage 5 all poles contain exactly 2 PCs. PCs are the only source of the secreted ligand of the JAK/STAT signaling pathway, Unpaired. Our group has demonstrated that cell autonomous and cell non-autonomous activation of the JAK/STAT pathway is necessary for this developmental apoptosis. Through the use of confocal imaging in real time and on fixed tissues, I established a stereotyped sequence of events that occurs during the elimination of supernumerary PCs. Three phases were identified in this sequence: 1) a slow phase of cellular remodeling dependent on JAK/STAT signaling in which the PC to be eliminated is completely enveloped by its PC neighbors (more than 7 hours); 2) activation of the canonical apoptosis cascade, occurring when the PC is fully enveloped, followed by cell detachment and lateral extrusion of apoptotic corpses (1h); and 3) phagocytosis of apoptotic corpses by the surrounding Follicular Cells (FCs) (over 5 hours). Then, using a candidate gene approach, I conducted genetic perturbation of Myosin, Cadherin and actin regulators in the FCs and/or PCs, and the analysis of the dynamics of some of these molecules. These experiences allowed me to determine that the function of these molecules is required in FCs for the process of elimination of supernumerary PCs. Finally, evidence obtained suggests a link between JAK/STAT signaling and Myosin dynamics.

Animal morphogenesis is largely driven by concerted changes in the shape of individual cells. However, how cell shape changes are regulated and coordinated in developing animals is not well understood. Here we show that the two perpendicular signaling gradients of the morphogens Dpp, a TGF-β homologue, and Wingless, a Wnt family member, maintain tissue homoeostasis and control cell shape changes in the developing Drosophila wing. Clones of cells lacking Dpp or Wingless signaling invaginate apically, shorten apico-basally and subsequently extrude basally without disruption of the epithelium. During early larval development, the onset of Dpp and Wingless signaling correlates with the cuboidal-to-columnar cell shape transition of wing disc cells. Gradients in apical-basal length of columnar cells correlate during late larval development with the gradients of Dpp and Wingless signaling activities. Cells receiving high levels of Dpp and Wingless signaling are most elongated and apically constricted. Low levels of Dpp and Wingless signaling correlate with a shorter and apically wider cell morphology. Dpp and Wingless signaling is cell-autonomously required for maintaining the elongated columnar cell shape of late larval wing disc cells. Overactivation of these pathways results in precocious cell elongation during early larval development. These morphogenetic responses to Dpp and Wingless require the transcription factor complexes Mad and Tcf/β-catenin, respectively, indicating that they are mediated by changes in gene expression. The morphogenetic function of Wingless is in part mediated by one of its target genes, the transcription factor Vestigial. Wingless signaling promotes an enrichment of E-cadherin at the adherens junctions, and we show that E-cadherin is required to maintain apical-basal cell length. Dpp signaling controls the subcellular distribution of the activities of the small GTPase Rho1 and the regulatory light chain of non-muscle myosin II (MRLC). Alteration of Rho1 or MRLC activity has a profound effect on apical-basal cell length. Finally, we demonstrate that a decrease in Rho1 or MRLC activity rescues the shortening of cells with compromised Dpp signaling. Our results identify cell-autonomous roles for Dpp and Wingless signaling in promoting and maintaining the elongated columnar shape of wing disc cells. Furthermore, they suggest that Dpp and Wingless signaling control cell shape by regulating the actin-MyosinII/E-cadherin network. / Morphogenese in Tieren wird in hohem Maße von konzertierten Zellformveränderungen einzelner Zellen bewirkt. Es ist jedoch noch nicht hinreichend verstanden, wie Zellformveränderungen in sich entwickelnden Tieren reguliert und koordiniert werden. Hier zeigen wir, dass die zwei zueinander senkrecht stehenden Signalgradienten der Morphogene Dpp, eines TGF-β Homologs, und Wingless, eines Mitglieds der Wnt Familie, im sich entwickelnden Drosophila-Flügel Gewebe-Homöostase aufrechterhalten und Zellformveränderungen kontrollieren. Klone von Zellen, denen Dpp oder Wingless Signalaktivität fehlt, invaginieren von ihrer apikalen Seite her, verkürzen sich in apiko-basaler Richtung und extruieren im Folgenden auf der basalen Seite des Epithels, ohne es zu zerstören. Während der frühen Larvalentwicklung korreliert das Anschalten der Dpp und Wingless Signale mit der Zellformveränderung der Flügelscheibenzellen von kuboidal zu kolumnar. Gradienten in der apiko-basalen Länge von kolumnaren Zellen korrelieren während der späten Larvalentwicklung mit den Gradienten der Dpp und Wingless Signalaktivitäten. Zellen, die hohe Werte an Dpp und Wingless Signalen empfangen, sind am meisten elongiert und apikal konstringiert. Niedrige Werte von Dpp und Wingless Signalen korrelieren mit kürzerer und apikal weiterer Zellmorphologie. Dpp und Wingless Signale werden zellautonom gebraucht für die Aufrechterhaltung der elongierten Zellform von späten larvalen Flügelscheibenzellen. Die Überaktivierung dieser Signalwege führt zu vorzeitiger Zellverlängerung während der frühen Larvalentwicklung. Diese morphogenetischen Antworten auf Dpp und Wingless benötigen die Transkriptionsfaktor-Komplexe Mad beziehungsweise Tcf/β-catenin, was darauf hindeutet, dass sie durch Änderungen in der Genexpression vermittelt werden. Die morphogenetische Funktion von Wingless wird teilweise durch eines seiner Zielgene, Vestigial, vermittelt. Wingless Signale fördern die Anreicherung von E-cadherin an den Adherensverbindungen. Wir zeigen hier, dass E-cadherin gebraucht wird, um apiko-basale Zelllänge aufrechtzuerhalten. Dpp Signale kontrollieren die subzelluläre Verteilung der Aktivitäten der kleinen GTPase Rho1 und der regulatorischen leichten Kette von nicht-muskulärem Myosin II (MRLC). Eine Änderung in der Rho1 oder MRLC Aktivität hat weitreichende Auswirkungen auf die apiko-basale Zelllänge. Schließlich zeigen wir noch, dass eine Verringerung der Rho1 oder MRLC Aktivitäten die Zellverkürzung von Dpp-Signal kompromittierten Zellen rettet. Unsere Resultate identifizieren zellautonome Rollen für Dpp und Wingless Signale in der Förderung und Aufrechterhaltung der elongierten kolumnaren Zellform von Flügelimaginalscheibenzellen. Darüber hinaus suggerieren sie, dass Dpp und Wingless Signale die Zellform durch die Regulierung des Aktin-MyosinII/E-cadherin-Netzwerks kontrollieren.

Animal morphogenesis is largely driven by concerted changes in the shape of individual cells. However, how cell shape changes are regulated and coordinated in developing animals is not well understood. Here we show that the two perpendicular signaling gradients of the morphogens Dpp, a TGF-β homologue, and Wingless, a Wnt family member, maintain tissue homoeostasis and control cell shape changes in the developing Drosophila wing. Clones of cells lacking Dpp or Wingless signaling invaginate apically, shorten apico-basally and subsequently extrude basally without disruption of the epithelium. During early larval development, the onset of Dpp and Wingless signaling correlates with the cuboidal-to-columnar cell shape transition of wing disc cells. Gradients in apical-basal length of columnar cells correlate during late larval development with the gradients of Dpp and Wingless signaling activities. Cells receiving high levels of Dpp and Wingless signaling are most elongated and apically constricted. Low levels of Dpp and Wingless signaling correlate with a shorter and apically wider cell morphology. Dpp and Wingless signaling is cell-autonomously required for maintaining the elongated columnar cell shape of late larval wing disc cells. Overactivation of these pathways results in precocious cell elongation during early larval development. These morphogenetic responses to Dpp and Wingless require the transcription factor complexes Mad and Tcf/β-catenin, respectively, indicating that they are mediated by changes in gene expression. The morphogenetic function of Wingless is in part mediated by one of its target genes, the transcription factor Vestigial. Wingless signaling promotes an enrichment of E-cadherin at the adherens junctions, and we show that E-cadherin is required to maintain apical-basal cell length. Dpp signaling controls the subcellular distribution of the activities of the small GTPase Rho1 and the regulatory light chain of non-muscle myosin II (MRLC). Alteration of Rho1 or MRLC activity has a profound effect on apical-basal cell length. Finally, we demonstrate that a decrease in Rho1 or MRLC activity rescues the shortening of cells with compromised Dpp signaling. Our results identify cell-autonomous roles for Dpp and Wingless signaling in promoting and maintaining the elongated columnar shape of wing disc cells. Furthermore, they suggest that Dpp and Wingless signaling control cell shape by regulating the actin-MyosinII/E-cadherin network. / Morphogenese in Tieren wird in hohem Maße von konzertierten Zellformveränderungen einzelner Zellen bewirkt. Es ist jedoch noch nicht hinreichend verstanden, wie Zellformveränderungen in sich entwickelnden Tieren reguliert und koordiniert werden. Hier zeigen wir, dass die zwei zueinander senkrecht stehenden Signalgradienten der Morphogene Dpp, eines TGF-β Homologs, und Wingless, eines Mitglieds der Wnt Familie, im sich entwickelnden Drosophila-Flügel Gewebe-Homöostase aufrechterhalten und Zellformveränderungen kontrollieren. Klone von Zellen, denen Dpp oder Wingless Signalaktivität fehlt, invaginieren von ihrer apikalen Seite her, verkürzen sich in apiko-basaler Richtung und extruieren im Folgenden auf der basalen Seite des Epithels, ohne es zu zerstören. Während der frühen Larvalentwicklung korreliert das Anschalten der Dpp und Wingless Signale mit der Zellformveränderung der Flügelscheibenzellen von kuboidal zu kolumnar. Gradienten in der apiko-basalen Länge von kolumnaren Zellen korrelieren während der späten Larvalentwicklung mit den Gradienten der Dpp und Wingless Signalaktivitäten. Zellen, die hohe Werte an Dpp und Wingless Signalen empfangen, sind am meisten elongiert und apikal konstringiert. Niedrige Werte von Dpp und Wingless Signalen korrelieren mit kürzerer und apikal weiterer Zellmorphologie. Dpp und Wingless Signale werden zellautonom gebraucht für die Aufrechterhaltung der elongierten Zellform von späten larvalen Flügelscheibenzellen. Die Überaktivierung dieser Signalwege führt zu vorzeitiger Zellverlängerung während der frühen Larvalentwicklung. Diese morphogenetischen Antworten auf Dpp und Wingless benötigen die Transkriptionsfaktor-Komplexe Mad beziehungsweise Tcf/β-catenin, was darauf hindeutet, dass sie durch Änderungen in der Genexpression vermittelt werden. Die morphogenetische Funktion von Wingless wird teilweise durch eines seiner Zielgene, Vestigial, vermittelt. Wingless Signale fördern die Anreicherung von E-cadherin an den Adherensverbindungen. Wir zeigen hier, dass E-cadherin gebraucht wird, um apiko-basale Zelllänge aufrechtzuerhalten. Dpp Signale kontrollieren die subzelluläre Verteilung der Aktivitäten der kleinen GTPase Rho1 und der regulatorischen leichten Kette von nicht-muskulärem Myosin II (MRLC). Eine Änderung in der Rho1 oder MRLC Aktivität hat weitreichende Auswirkungen auf die apiko-basale Zelllänge. Schließlich zeigen wir noch, dass eine Verringerung der Rho1 oder MRLC Aktivitäten die Zellverkürzung von Dpp-Signal kompromittierten Zellen rettet. Unsere Resultate identifizieren zellautonome Rollen für Dpp und Wingless Signale in der Förderung und Aufrechterhaltung der elongierten kolumnaren Zellform von Flügelimaginalscheibenzellen. Darüber hinaus suggerieren sie, dass Dpp und Wingless Signale die Zellform durch die Regulierung des Aktin-MyosinII/E-cadherin-Netzwerks kontrollieren.