La division cellulaire asymétrique est un mécanisme fondamental qui assure la diversité cellulaire, le renouvellement des cellules souches et le maintien de l’identité cellulaire. Elle dépend du bon positionnement du fuseau mitotique car il dicte le plan de division des cellules. La première division des embryons de C. elegans, est asymétrique et génère deux cellules fille de taille et devenir différents. Elle consiste en deux étapes : la centration des pronoyaux en prophase puis le déplacement postérieur du fuseau mitotique en anaphase. Lors de l'anaphase le fuseau subit des oscillations transverses plus marquées au pôle postérieur qu’au pôle antérieur. Ces mouvements sont contrôlés par des forces de traction agissant sur les microtubules astraux. Les générateurs de force ont été moléculairement identifiés et sont évolutivement très conservés. Un complexe composé de protéines Gα, liées à GPR (protéine à domaine GoLoco, homologue de LGN/Pins), à LIN-5 (protéine à domaine super-enroulé, homologue de NuMA/Mud) et à la dynéine serait ancré au cortex et activé en début de mitose pour tirer le fuseau. En analysant la première division d’une espèce proche de C. elegans : C. briggsae, on observe des variations de trajectoire du fuseau. Les embryons de C. briggsae présentent un décalage antérieur des noyaux en prophase et les oscillations du fuseau sont réduites en anaphase. La combinaison de perturbations physiques et l'analyse de mutants dans ces espèces, ont montré que ces différences s’expliquent par des changements dans la régulation du complexe ternaire. Mais, nous avons découvert que dans les deux espèces 1) un switch positionnel conservé contrôle le démarrage des oscillations du fuseau, 2) la localisation postérieure de GPR détermine ce switch positionnel, et 3) l'amplitude maximum des oscillations est déterminée en partie par le temps passé dans la phase oscillatoire. Nous avons utilisés ces variants pour corréler les phénotypes, la localisation de GPR et la divergence de séquence entre espèces afin d’identifier les éléments de régulation de cette protéine. Nous avons alors échangé les protéines et construits des protéines chimères entre les deux espèces. Enfin, par optogénétique, nous avons essayé de contrôler la localisation temporelle de GPR et analyser les conséquences sur les mouvements des noyaux et du fuseau. En étudiant la microévolution d'un processus sous-cellulaire, nous avons identifié de nouveaux mécanismes qui contribuent à la compréhension du positionnement du fuseau. / Asymmetric cell division is a fundamental mechanism essential in all organisms to assure cell diversity, stem cell renewal and cellular identity maintenance. It is relying on proper mitotic spindle positioning because it dictates the cell division plan. In C. elegans one-cell embryos, the first division is asymmetric and gives rise to two daughter cells of unequal size and fate. It occurs in two steps: pronuclei centration during prophase and spindle posterior displacement during anaphase. During anaphase, the mitotic spindle undergoes transverse oscillations that are more pronounced for the posterior than the anterior pole. These movements are controlled by pulling forces acting on astral microtubules. The force generators are identified and are evolutionary conserved. A complex made of Gα proteins, linked to GPR (a GoLoco containing protein, the LGN/Pins homologues), LIN-5 (a coiled-coil protein, the NuMA/Mud homologues) and dynein is thought to be anchored at the cortex and activated at the onset of mitosis to pull on the spindle. We identified variations in spindle trajectories by analyzing the outwardly similar one-cell stage embryo of a close relative of C. elegans, C. briggsae. Compared to C. elegans, C. briggsae embryos exhibit an anterior shifting of nuclei in prophase and reduced anaphase spindle oscillations. By combining physical perturbations and mutant analysis in both species, we show that differences can be explained by inter-species changes in the regulation of the cortical Gα/GPR/LIN-5 complex. However, we uncover that in both species 1) a conserved positional switch controls the onset of spindle oscillations, 2) GPR posterior localization may set this positional switch, and 3) the maximum amplitude of spindle oscillations is determined in part by the time spent in the oscillating phase. Interestingly, GPR is poorly conserved at the amino acid level between these species. We use these variants to correlate phenotypes, GPR localization and sequence divergence to identify GPR regulatory elements. To this end, we performed protein replacement between species, as well as analysis of protein chimeras. Finally we tried to use optogenetics in order to control GPR localisation temporally and analyze the consequences on pronuclei and spindle movements during the first division. By investigating microevolution of a subcellular process, we identified new mechanisms that are instrumental to decipher spindle positioning.

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.

La localisation des ARNm par transport dirigé joue un rôle dans le développement, la motilité cellulaire, la plasticité synaptique et la division cellulaire asymétrique. Chez la levure Saccharomyces cerevisiæ, la localisation d’ARNm est un phénomène dont les mécanismes de régulation sont conservés auprès de nombreux autres organismes. Lors de la division de la levure, plus d’une trentaine de transcrits sont localisés par transport actif à l’extrémité du bourgeon de la cellule-fille. Parmi ceux-ci, l’ARNm ASH1 est le mieux caractérisé et constitue le modèle utilisé dans cette étude. Pour exercer sa fonction, la protéine Ash1 doit être produite uniquement après la localisation de l’ARNm ASH1. Pour ce faire, les mécanismes de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 empêchent son expression durant le transport. Ce projet de recherche vise à étudier les mécanismes de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 par les répresseurs traductionnels connus, soit Khd1, Puf6 et Loc1. Les études antérieures se sont penchées sur ces facteurs de manière individuelle. Cependant, dans cette étude, nous avons exploré la présence d’une collaboration entre ceux-ci. Ainsi, nous avons voulu déterminer si les répresseurs traductionnels peuvent être intégrés en une seule voie de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1. De plus, nous avons cherché à identifier le mécanisme de recrutement des répresseurs traductionnels sur l’ARNm ASH1, qui correspond au point initial des voies de régulations de l’ARNm ASH1. Nos résultats montrent que les répresseurs traductionnels de l’ARNm ASH1, soit Khd1 et Puf6, font partie d’une même voie de régulation de la traduction. Le rôle du facteur nucléaire Loc1 dans la voie de régulation de la traduction, quant à elle, a été examinée à partir d’expériences permettant l’étude du mécanisme de recrutement des répresseurs traductionnels dans le noyau. Ainsi, nos travaux montrent que Puf6 et Loc1 sont associés de manière ARN-dépendant avec la machinerie de transcription, notamment au facteur d’élongation de la transcription Spt4-Spt5/DSIF. Par ailleurs, notre laboratoire a précédemment montré que la localisation nucléaire de la protéine de liaison à l’ARN She2 est essentielle au recrutement des facteurs Loc1 et Puf6 sur l’ARNm ASH1. Des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) supportent l’hypothèse que le recrutement de Loc1 est essentiel à celui de Puf6, qui s’effectue ultérieurement. Ainsi, à partir des résultats de cette étude et des résultats publiés précédemment dans notre laboratoire, nous avons élaboré un modèle de recrutement coordonné des facteurs She2, Loc1 et Puf6 sur l’ARNm ASH1 naissant. De manière générale, cette étude a permis d’établir la présence d’une seule voie de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 et une meilleure connaissance du recrutement des facteurs de répression traductionnelle sur celui-ci. / Directed transport mRNA localization play a role in the development, the cell motility, the synaptic plasticity and asymmetric cellular division. In the yeast Saccharomyces cerevisiæ, this regulation mechanism is conserved among many other species. During yeast cell division, around thirty mRNA are actively localized at the bud tip in the daughter cell. ASH1 mRNA is the best known among them and constitutes the model used in this study. In this model, Ash1 expression is possible only after proper localization of its mRNA. In order to do so, ASH1 mRNA translation is repressed by translational repressors during its active transport. This project investigates the mechanism of ASH1 mRNA translational regulation that is carried out by the translational repressors Khd1, Puf6 and Loc1. Previous studies characterized the action of these factors individually. However, in this study, we now explored the possibility of a collaboration between them. Thus, we sought to determine if these translational repressors are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway. In addition, we tried to identify the mechanisms of recruitment of these translational repressors on ASH1 mRNA, the molecular mechanisms that initiates this process. In this work, we show that the cytoplasmic translational repressors Khd1 and Puf6 are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway. In this pathway, the role of the nuclear translational factor Loc1 was determined by the analysis of translational factors recruitment on ASH1 in the nucleus. We demonstrate that Puf6 and Loc1 interact in an RNA-dependent manner with the transcription machinery, via the transcription elongation factor Spt4-Spt5/DSIF. Finally, chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays support the model that Loc1 recruitment to nascent ASH1 mRNA is essential for the subsequent recruitment of Puf6 to this transcript. With the results of this study and others previously done in the lab, we elaborated a recruitment model for the She2, Loc1 and Puf6 proteins on the nascent ASH1 mRNA. In conclusion, this study has established that the translational repressors Khd1, Puf6 and Loc1 are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway and allowed a better understanding of the mechanism of recruitment of translational repressors on their target mRNA.

Le gène par-4 code pour une kinase à sérine/thréonine très conservée qui régule la polarisation précoce et la division cellulaire asymétrique de l’embryon de C. elegans. Une mutation de par-4 entraîne la létalité embryonnaire en perturbant trois processus: la ségrégation asymétrique des déterminants cellulaires, la régulation asynchrone de la progression du cycle cellulaire et la contractilité du réseau d’actomyosine. Pour identifier des régulateurs des voies de signalisation de PAR-4, nous avons procédé à un criblage pour des suppresseurs de la létalité embryonnaire associée à une mutation de par-4. Nous avons identifié 6 gènes qui codent pour des homologues conservés avec des activités définies telles que la phosphorylation, l’ubiquitination, la protéolyse et l’échafaudage. En employant l’imagerie quantitative pour suivre des événements cellulaires dépendants de PAR-4, nous avons déterminé quels processus sont contrôlés par chaque suppresseur durant le développement embryonnaire de C. elegans. Des analyses moléculaires de ces suppresseurs ont révélé des détails sur le mécanisme par lequel PAR-4 régule la polarisation cellulaire et promeut la division cellulaire asymétrique. / The gene lkb1 codes for a highly conserved serine/threonine kinase. The orthologue of lkb1 in the nematode Caeonorhabditis elegans, termed par-4, regulates early polarization and asymmetric cell division in the embryo. A mutation in par-4 causes embryonic lethality by perturbing three main cellular processes: asymmetric segregation of cell fate determinants, asynchronic regulation of cell cycle progression and contractility of the actomyosin network. To identify regulators of the PAR-4/LKB1-dependent pathways, we performed a screen for suppressors of the embryonic lethality associated with a mutation in par-4. We identified 6 genes that have conserved homologs with defined activities including protein phosphorylation, ubiquitination, proteolysis and scaffolding. We used quantitative imaging of specific PAR-4-dependent cellular events to determine which of these are controlled by each suppressor during early C. elegans embryonic development. Molecular analysis of these suppressors revealed details on the mechanism through which PAR-4 regulates cell polarization and promotes asymmetric cell division.