La mise en conformation de l'α et β tubulines en hétérodimeres polymérisables nécessite l'intervention de cinq protéines " Tubulin Binding Cofactors " (TBCA a TBCE) dont TBCC qui joue un rôle indispensable. Dans des cellules humaines d'adénocarcinome mammaire, nous avons modifié le niveau d'expression de TBCC et nous avons montre que ceci avait un impact sur le contenu des fractions de tubuline, la dynamique des microtubules ainsi que sur le phénotype et chimiosensibilité des cellules. La distribution en cycle cellulaire et les durées de la mitose et de la phase S ont été altérées. La modification de TBCC avait un faible effet sur la vitesse de prolifération in vitro par contre les cellules présentaient des différences significatives de croissance tumorale in vivo. Les réponses aux agents antimicrotubulaires et à la gemcitabine ont montrées une chimiosensibilité dépendante de la distribution en cycle cellulaire. Tous ces résultats montrent l'importance de la régulation du contenu en tubulines et l'impact de ceci sur le comportement de la cellule en général et vis-à-vis des traitements.

Tubulin, microtubules and associated proteins were studied theoretically, computationally and experimentally in vitro and in vivo in order to elucidate the possible role these play in cellular information processing and storage. Use of the electric dipole moment of tubulin as the basis for binary switches (biobits) in nanofabricated circuits was explored with surface plasmon resonance, refractometry and dielectric spectroscopy. The effects of burdening the microtubular cytoskeleton of olfactory associative memory neurons with excess microtubule associated protein TAU in Drosophila fruitflies were determined. To investigate whether tubulin may be used as the substrate for quantum computation as a bioqubit, suggestions for experimental detection of quantum coherence and entanglement among tubulin electric dipole moment states were developed.

A major challenge in nanotechnology is the controlled transport of cargo on the nanometer scale. A promising approach to this problem is the use of molecular motors of the cellular cytoskeleton. The aim of this work was to develop a method to characterize the behavior of filamentous nanoshuttles – specifically of motor protein-driven microtubules – in three dimensions (3-D). The main requirements to meet were low impact on the nanotransport system, high spatial and temporal resolution, and versatility. Furthermore, this method was intended to be used to address open questions in the field of nanotransport. In particular, it was firstly attempted to characterize cargo transport in a system currently favored by most studies in the field, where nanoshuttles are powered by the microtubule motor best understood so far – the plus-end-directed kinesin-1. Secondly, the goal was to further the understanding of potential counter-players of kinesin-1 in nanotransport applications - the much less well understood microtubule minus-end-directed motor proteins 22S dynein and the kinesin-14 non-claret disjunctional (ncd). A novel method to study the linear forward motion as well as the axial motion of filamentous nanoshuttles, which are driven by motors of the cell cytoskeleton, has been introduced. The method uses fluorescence interference-based 3-D nanometer tracking of quantum dots as optical probes that are attached to the nanoshuttles. While other recently reported 3-D tracking techniques based on dual-focus imaging offer similar sensitivity, the method here can be easily performed on any standard epi-fluorescence microscope, even with arc lamp illumination, and additionally holds the potential to retrieve absolute height values. It is strongly suggested that the ease of use might help to spread this valuable and versatile tool for a variety of applications, including studies of interactions between single molecules or even intramolecular changes. Specifically, 3-D tracking has been used to visualize and analyze the rotation of microtubules around their longitudinal axis when they are propelled on a motor protein-coated surface. This geometry called gliding assay is currently favored for most proof-of-principle studies that investigate the use of biomolecular motors for transport of nanoscale cargo with the goal to assemble and manipulate nanostructures. The suitability of the method has been proven for kinesin-1 gliding assays, where knowledge of properties of both, microtubules and kinesin-1, allowed a very precise prediction of microtubule rotation, which was matching the actual measured values very well. The microtubule rotation in kinesin-1 gliding assays has turned out to be robust against the attachment of small cargo in the shape of quantum dots (diameter ∼20 nm), but also against the reduction of electrostatic interactions between microtubules and kinesin-1 by cleavage of the tubulin E-hook. The situation was dramatically different when large cargo (beads with diameter of ∼3 µm) was attached to microtubules. In this case, filament rotation was stopped, but otherwise the impact on motility was surprisingly low. In particular, the velocity of the gliding microtubules only decreased to a negligible degree. This shows that in principle microtubules driven by processive motors like kinesin-1 can make flexible, responsive and effective molecular shuttles for nanotransport applications. In addition, the results might indicate that in vivo kinesin-1 molecules, which transport cargo along microtubules, can likewise flexibly respond to an axial force by deviating from their path parallel to the protofilament axes. Two microtubule minus-end-directed motors that might be employed to counteract kinesin-1 in engineered nanotransport systems are dynein and ncd. Both motors have been found to be capable of generating torque causing short-pitched microtubule rotation in gliding motility assays. The results for 22S dynein helped to resolve controversial findings of earlier reports about the ability of 22S dynein to generate torque. However, it turned out difficult to establish conditions where the movement of the dynein-driven nanoshuttles was homogeneous and reproducible. In contrast, motility in ncd gliding assays looks much more promising. The obtained results supported previous reports of torque generation by ncd. Moreover, a strong dependence of rotational pitches of gliding microtubules on ATP concentration was found. The reason could be that ncd motors in the nucleotide-free microtubule-bound state impede the forward movement of gliding microtubules stronger than the axial motion. To fully understand the nature of this effect, further research is required. Most likely, this will substantially contribute to the understanding of ncd function in vivo. Furthermore, the possibility of tuning the rotation of microtubules acting as nanoshuttles might provide a means to increase control of processes like cargo-loading and unloading. / Eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Nanotechnologie ist der kontrollierte und präzise Transport von nanoskaligen Objekten. Der Einsatz von molekularen Motoren des zellulären Zytoskeletts hat sich dabei als vielversprechender Ansatz erwiesen. Ziel der hier vorgelegten Arbeit war die Entwicklung einer Methode, um das Verhalten von filamentartigen Nanotransportern - speziell von Mikrotubuli, die durch Motorproteine über Oberflächen bewegt werden - in drei Dimensionen (3-D) zu charakterisieren. Die Hauptkriterien waren dabei eine geringe Störung des zu untersuchenden Systems, hohe räumliche und zeitliche Auflösungen sowie die generelle Anwendbarkeit für Einzelmolekülstudien. Ein weiteres Ziel war es, die entwickelte Methode zur Beantwortung offener Fragen bezüglich des Nanotransports mittels Zytoskelett-basierter Motoren einzusetzen. Insbesondere sollte das System aus Mikrotubuli und dem Motorprotein Kinesin-1, welches für die meisten aktuellen Studien zum Thema Nanotransport herangezogen wird, untersucht werden. Schließlich sollten neue Erkenntnisse über weniger gut erforschte Motorproteine, speziell über 22S Dynein und das Kinesin-14 „Non-claret disjunctional“ (Ncd), gewonnen werden. Beide Motoren könnten in Nanotransportsystemen als Gegenspieler von Kinesin-1 agieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige, auf Fluoreszenz-Interferenz basierende 3-D Nanometertrackingmethode beschrieben. Auf deren Grundlage wird es möglich, die Bewegung von einzelnen fluoreszenten Partikeln nahe einer reflektierenden Oberfläche mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich zu verfolgen. Im Vergleich zu anderen kürzlich vorgestellten 3-D Techniken, welche auf bifokaler optischer Mikroskopie basieren und ähnliche Genauigkeiten zulassen, ist die hier vorgestellte Methode mit deutlich geringerem Aufwand auf der Basis eines herkömmlichen Epi-Fluoreszenzmikroskops umsetzbar. Dabei kann die Fluoreszenzanregung wahlweise mit einer Bogenlampe oder einem Laser erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, nicht nur Differenzwerte (wie bei bifokaler Mikroskopie), sondern absolute Werte in der Höhendimension zu messen. Im Ergebnis wurde ein mit geringem Aufwand umsetzbares, gleichwohl hochgradig genaues und vielseitig einsetzbares Werkzeug geschaffen, welches ideal für Studien der Interaktionen von Einzelmolekülen oder auch intramolekularer Dynamik geeignet ist. Mit Hilfe der hier vorgestellten 3-D Trackingmethode wurden die Rotationen von Mikrotubuli um ihre Längsachse während des Gleitens auf mit Motorproteinen besetzten Oberflächen analysiert. Diese Geometrie wird derzeit bevorzugt in Studien eingesetzt, welche den Einsatz von biomolekularen Motoren für den Transport von nanoskaligen Objekten untersuchen und das Ziel verfolgen, Nanostrukturen zu erzeugen und zu manipulieren. Die Ergebnisse zu Rotationen von Mikrotubuli, welche über mit Kinesin-1 besetzte Oberflächen bewegt werden, sind konsistent mit (i) der Eigenschaft von Kinesin-1 sich entlang der Protofilamente von Mikrotubuli zu bewegen und (ii) der Superhelixstruktur von in vitro rekonstituierten Mikrotubuli. Dies belegt die Eignung der Methode für die Charakterisierung von Nanotransportsystemen. Die Rotation von Mikrotubuli, welche durch Kinesin-1 angetrieben werden, hat sich sowohl beim Transport von kleinen Objekten in Form von Quantum Dots (Durchmesser ca. 20 nm) als auch bei der Reduktion elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Kinesin-1 und Mikrotubuli durch Verdau der Tubulin-C-Termini als stabil erwiesen. Ein vollkommen anderes Bild ergab sich für den Transport von großen Objekten (Durchmesser ca. 3 µm). In diesem Fall wurde die Rotation der Filamente angehalten. Unerwarteterweise war jedoch die Vorwärtsbewegung der Mikrotubuli und insbesondere deren Geschwindigkeit kaum betroffen. Dies zeigt, daß Mikrotubuli, welche von prozessiven Motoren wie Kinesin-1 angetrieben werden, das Potential zu responsiven, flexiblen und effektiven molekularen Shuttles besitzen. Außerdem weisen die Ergebnisse darauf hin, daß Kinesin-1-Moleküle, welche in vivo Frachten entlang von Mikrotubuli transportieren, auf seitwärts gerichtete Kräfte reagieren können, indem sie von ihrem intrinsisch vorgegebenen Pfad parallel zur Protofilamentachse des Mikrotubulus abweichen. Zwei Motoren, die sich im Gegensatz zu Kinesin-1 in Richtung des Minus-Endes von Mikrotubuli bewegen, sind 22S Dynein und Ncd. Sie sind somit als Gegenspieler von Kinesin-1 in Nanotransportsystemen prädestiniert. Beide Motoren können, ebenso wie Kinesin-1, die Translokation von Mikrotubuli über Oberflächen sowie damit verbundene Rotationen von Mikrotubuli verursachen. Im Gegensatz zu Kinesin-1 tritt die Rotation unabhängig von einer Superhelixstruktur der Mikrotubuli auf. Die Ergebnisse für 22S Dynein lösen Widersprüche zwischen früheren Studien auf, indem sie belegen, daß dieser Motor Rotationen von Mikrotubuli erzeugen kann. Jedoch scheint es unter Verwendung von 22S Dynein nicht möglich zu sein, Bedingungen zu schaffen, unter welchen sich Mikrotubuli in geeigneter Weise als Nanoshuttles homogen und reproduzierbar bewegen. Der Einsatz von Ncd ist hier deutlich erfolgversprechender. Die in diesem Falle erlangten Erkenntnisse bezüglich der Erzeugung von Rotationen von Mikrotubuli decken sich mit früheren Studien. Ein bislang unbekannter, bemerkenswerter Effekt ist dabei ein Rückgang in der Länge der Rotationsperioden mit sinkender ATP-Konzentration. Die mit dem heutigen Wissensstand über den mechanochemischen Zyklus von Ncd konsistente Erklärung ist, daß Ncd-Motoren im nukleotidfrei an Mikrotubuli gebundenen Zustand die Vorwärtskomponente der Bewegung von gleitenden Mikrotubuli stärker hemmen als die Rotationskomponente. Möglicherweise kann die sich hieraus ergebende Möglichkeit der Regulierung der Rotation von Mikrotubuli dazu eingesetzt werden, das Be- und Entladen von Nanoshuttles zu steuern.

AtMAP65-4 est une protéine associée aux microtubules appartenant à la famille des AtMAP65s qui compte 9 membres identifiés chez Arabidopsis thaliana. Ces protéines appartiennent à une famille conservée au cours de l'évolution, les MAP65s. Ainsi, des protéines homologues sont présentes chez de mammifères (PRC1), chez la levure (Ase1p) ou chez la drosophile (FEO). Jusqu'ici l'étude des propriétés moléculaires et fonctionnelles des AtMAP65s s'est portée essentiellement sur l'étude d'AtMAP65-1 et AtMAP65-5. La principale caractéristique de ces protéines est d'induire la formation de faisceaux de microtubules in vitro. La distribution des AtMAP65s in vivo est très régulée, celle-ci sont localisées avec des réseaux des microtubules bien définis. Ainsi, leur rôle supposé est de mettre en place ces réseaux puis de participer à leur maintient. La localisation d'AtMAP65-4 apparait comme très intéressante car elle est strictement associée avec les microtubules du fuseau mitotique. D'après les résultats obtenus au cours de ce travail, nous avons suggéré que la fonction in vivo d'AtMAP65-4 est de participer à la mise en place et au maintient des microtubules en faisceaux dans les fibres kinétochoriennes lors de la division cellulaire. Lors d'une étude in vitro nous avons montré qu'AtMAP65-4 modifie les paramètres dynamiques de polymérisation des microtubules. Outre sa capacité à former des faisceaux, AtMAP65-4 permet une croissance régulière des microtubules au sein des faisceaux qu'elle induit. Le mécanisme d'action de la MAP à l'échelle moléculaire a été analysé à travers une étude bioinformatique où nous avons modélisé l'activité d'AtMAP65-4. Les données obtenues montrent qu'AtMAP65-4 peut bloquer les évènements de dépolymérisation des microtubules. Par ailleurs, l'activité d'AtMAP65-4 pourrait être régulée in vivo par des modifications post traductionnelles. En effet, nous avons montré et étudié l'effet de la phosphorylation d'AtMAP65-4 par les kinases Auroras. Cette phosphorylation pourrait être impliquée dans la régulation de l'activité d'AtMAP65-4 au cours de la mitose.

Aurora A (AurA) is an important mitotic kinase mainly studied for its involvement in cell cycle progression, centrosome maturation, mitotic spindle pole organization and bipolar spindle formation. It localizes to duplicated centrosomes and spindle microtubules (MTs) during mitosis where it regulates various factors participating in metaphase spindle formation. AurA is degraded late in mitosis suggesting that it might also have a function in anaphase. In this study we focused in understanding AurA function during anaphase in two different experimental systems. First, we kept AurA active in cycled Xenopus egg extracts and found that MTs maintained their mitotic organization longer throughout mitotic exit. We also observed chromosome segregation defects and problematic nuclear envelope formation. These observations indicate that AurA activity needs to be down-regulated for the transition from metaphase back to interphase. To get insights into the role of AurA during metaphase-anaphase transition we initially asked whether its kinase activity is still necessary for the maintenance of the metaphase spindle. We saw that the inhibition of AurA kinase activity in metaphase resulted to a collapse of the established metaphase spindle in HeLa cells. Indicating that AurA activity is necessary for the metaphase spindle maintenance. Then, we looked whether AurA kinase activity is still necessary during anaphase. We inhibited AurA at the onset of anaphase in Hela cells and found that anaphase spindles were smaller. We also observed that the MT structure responsible for anaphase spindle elongation, the central spindle, was defectively assembled and organized. Moreover, in cells where AurA was inhibited segregation of chromosomes was defective. These results indicate that AurA kinase activity is necessary for anaphase spindle elongation, central spindle assembly and organization and chromosome segregation. To understand further how AurA regulates anaphase spindle formation we looked known AurA substrates. We depleted TACC3, a known AurA substrate involved in MT formation earlier in mitosis and observed that TACC3 depletion phenocopied AurA inhibition. This indicates that TACC3 has a function in MT organization and chromosome segregation during anaphase and this function could possibly be regulated by AurA. In this study we have demonstrated that AurA activity is essential for metaphase spindle maintenance. We also found that during anaphase when AurA is either maintained active or inhibited MT organization is greatly affected and chromosome segregation is defective. Suggesting that AurA activity needs to be tightly controlled during anaphase for a correct completion of mitosis. / Aurora A (AurA) es una quinasa mitótica importante que se ha estudiado principalmente en su papel durante la progresión del ciclo celular, la maduración del centrosoma, la organización y la formación del polo y del huso mitótico. Durante la mitosis, AurA se localiza en los centrosomas duplicados y en los microtúbulos (MTs) del huso y se ha observado que regula varios factores que participan en la formación del huso mitótico. AurA se degrada al final de la mitosis indicando que pueda tener una función durante la anafase. En este estudio nos hemos centrado en la comprensión de la función de AurA durante la anafase en dos sistemas experimentales diferentes. En primer lugar, utilizando extractos de huevos de Xenopus hemos mantenido AurA activa durante la transición de metafase a anafase y hemos visto que los MTs del huso mitótico mantienen su organización durante más tiempo. También hemos observado que cuando AurA se mantiene activa existen defectos en la segregación cromosómica y la formación de la membrana nuclear. Esto indica que la actividad de AurA tiene un papel regulador sobre los MTs y la chromatina durante la transición de la metafase a la interfase. Para entender cual es la función de AurA durante la transición de metafase a anafase primero hemos estudiado si la actividad de la quinasa es necesaria para el mantenimiento del huso mitótico. Hemos visto que la inhibición de la actividad quinasa AurA resultó en el colapso del huso durante la metafase en células HeLa. Esto indica que la actividad de AurA es necesaria para el mantenimiento del huso mitótico de metafase. A continuación hemos analizamos si la actividad quinasa de AurA sigue siendo necesaria para la anafase. Para ello hemos inhibido AurA en células Hela al inicio de la anafase. En estas condiciones los husos de la anafase son más pequeños y la estructura de los MTs responsable del alargamiento del huso mitótico durante la anafase, el huso central, se organiza defectuosamente. Además, se encontraron errores durante la segregación de los cromosomas. Estos resultados indican que la actividad quinasa de AurA es necesaria para el alargamiento del huso durante la anafase y la organización y segregación cromosómica. Para entender el mecanismo de la función de AurA durante la anafase hemos estudiado a sustratos de AurA. Al estudiar TACC3 , un sustrato conocido de AurA que participa en la formación de MTs en las fase iniciales de la mitosis hemos encontrado que su eliminación de células HeLa produce el mismo fenotipo que la inhibición de AurA. Esto indica que TACC3 tiene una función en la organización de MT y la segregación de cromosomas durante la anafase y que esta función podría estar regulada por la quinasa AurA. En este estudio hemos demostrado que la actividad quinasa de AurA es esencial para el mantenimiento del huso mitótico. También hemos encontrado que durante la anafase cuando la quinasa AurA se mantiene activa o se inhibe la organización de los MTs del huso mitótico se ve muy afectada y los cromosomas se segregan defectuosamente. Por tanto los resultados de este estudio indican que la actividad quinasa de AurA está estrechamente controlada durante la anafase para el correcto cumplimiento de la mitosis.

A complex network of protein filaments collectively known as the cytoskeleton carries out several crucial cellular processes. These functions include, but are not limited to, motility, cell shape, mitosis and organelle trafficking. The cytoskeleton is also highly responsive, allowing the cell to alter its shape in response to its immediate needs and environment. One of the major components of the cytoskeleton is the microtubule network. To refer to the array of micro tubules in the cell as a skeleton is a misnomer. Microtubules, by virtue of their structure and nature, are highly dynamic, continuously growing and shrinking. They also bind a variety of accessory molecules that aid in regulating and directing their dynamic activity. In this way they provide a structural basis for integral cell functions that require rapid assembly and disassembly. In some cases, perturbations of the microtubule network results in structural anomalies that lead to undesirable outcomes for the cell, namely chromosomal missegregation events and instability. The accumulation of these events may induce aneuploidy, which has been a fundamental component of tumorigenesis. This dissertation examines the role of the microtubule cytoskeleton within three distinct contexts. The first chapter investigates the association of the anti-apoptotic protein survivin with the microtubule network and its potential impact upon the cell from interphase to cytokinesis. The second chapter of this dissertation explores a little-studied, microtubule-dense organelle, referred to as the midbody, and the highly orchestrated events that take place within it during cytokinesis. The third and final chapter describes a unique experimental condition that may further our understanding of the interaction between the tumor suppressor p53 and the centrosome in cell cycle regulation and tumorigenesis.

Chez Arabidopsis, l’enveloppe nucléaire constitue un site de nucléation des microtubules à partir des complexes à gamma-tubuline. Conservées des plantes à l'Homme, les protéines GIPs/MZT1 ont été initialement découvertes comme partenaires d’AtGCP3. J’ai consacré ma thèse à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des AtGIPs et de leurs partenaires à l’interface nucléocytoplasmique. Mes résultats confirment l’appartenance des GIPs aux complexes à gamma-tubuline, et démontrent leur association entre elles et avec TSA1 (TonSoKu [TSK]-Associating protein 1) et l'histone centromérique CenH3. Les interactions génétiques entre les gènes GIPs, TSA1 et TSK révèlent des anomalies sévères à l'échelle de l'organisme, des cellules et des noyaux. Les mutants gip1gip2 démontrent une diminution de la cohésion des régions centromériques. L’ensemble de nos résultats suggère un rôle des AtGIPs dans un continuum nucléocytoplasmique inédit, la régulation de l'architecture nucléaire et du centromère. / In Arabidopsis, the nuclear envelope is a nucleation center where gamma-tubulin complexes initiate the polymerization of microtubules. Conserved from plants to humans, GIPs/MZT1 proteins were initially discovered as AtGCP3 interacting partners. Our investigations were devoted to the molecular and functional characterization of AtGIPs and their associated proteins at the nucleocytoplasmic interface. We confirmed that AtGIPs are integral components of gamma-tubulin complexes, and showed that they interact with each other, TSA1 (TonSoKu [TSK]-Associating protein 1) and centromeric histone H3 (CenH3). Genetic interactions between GIPs, TSA1 and TSK reveal severe defects at the organism, cellular and nuclear scales. gip1gip2 mutants exhibit a decrease of centromeric and pericentromeric cohesion. Altogether, this is the first evidence for the role of a gamma–tubulin complex component in the structural maintenance of centromeric regions, and in defining nuclear morphology and architecture.

A la fin de la vie d’une cellule, différentes forces mécaniques permettent la séparation des chromosomes. Nos données préliminaires suggèrent l’existence d’un autre mécanisme provenant du centre du fuseau mitotique, non décrit dans l’embryon une cellule de C. elegans qui permettrait la séparation des chromosomes. Dans cette cellule, les microtubules kinétochoriens n’appliquent aucune force mécaniques sur les chromosomes durant l’anaphase. Il a été décrit que les chromosomes sont séparés grâce au déplacement des centrosomes via les forces de traction corticales. A l’aide de la microchirurgie laser dans les embryons une cellule de C. elegans, j’ai montré qu’en détruisant physiquement un ou deux centrosomes, les chromosomes continuent de se séparer, révélant l’existence d’une force de propulsion interne au fuseau mitotique (Nahaboo et al., 2015). En combinant la destruction de centrosomes et l’inactivation génétique, nous avons caractérisé les rôles de gènes favorisant ou freinant cette force de propulsion. J’ai observé que la kinésine-5, BMK-1, et le crosslinker MAP-65/SPD-1 freinent cette force de propulsion. Alors que dans d’autres espèces ces protéines favorisent la séparation des chromosomes. Nous avons remarqué que les protéines RanGTP et CLASP, favorisant de la nucléation et la polymérisation des microtubules, aident cette force de propulsion. Ces propriétés suggèrent que la polymérisation des microtubules au centre du fuseau est requise pour permettre la séparation des chromosomes durant la mitose.Par manque d’outils adéquats afin d’altérer la dynamique des microtubules, nous avons collaboré avec l’équipe de biochimistes du Dr. D. Trauner à Munich en Allemagne. Ils ont synthétisé la molécule photoactivable, Photostatin (PST), permettant la dépolymérisation des microtubules en quelques secondes (Borowiak et al., 2015). Entre 390 - 430 nm, PST est activé, dépolymérisant les microtubules, alors qu’entre 500 – 530 nm, PST est inactivé, permettant la polymérisation normale des microtubules. J’ai mesuré que la croissance des microtubules avec PST actif est absente dans des cellules Hela. J’ai montré que le cycle cellulaire dans l’embryon de C. elegans est arrêté localement en présence de PST actif. Nous avons alors montré que PST contrôle optiquement la dynamique des microtubules, in vitro, in cellulo et in vivo, de manière non invasive, rapide, locale et réversible. En résume, j’ai identifié une nouvelle force permettant la séparation des chromosomes à l’aide des approches moléculaires et biophysiques, et j’ai aidé à la caractérisation PST, un antimicrotubule photoactivable de manière locale et réversible. / In mitosis, different mechanical forces are involved in chromosome segregation. In C. elegans one-cell embryos, preliminary data suggest that an unknown mechanism, coming from inside the mitotic spindle, could influence chromosome separation. In those cells, it has been showed that kinetochore microtubule activity is absent. Thanks to external pulling forces, centrosome separation drives chromosome segregation. By using microsurgery inside the one-cell C. elegans embryos, we have shown that destroying one or two centrosomes did not prevent chromosome separation, revealing the existence of an outward pushing force (Nahaboo et al., 2015). By combining gene inactivation and centrosome destruction, we showed that the kinesin-5 and the crosslinker SPD-1 act as a brake on this pushing force, whereas they enhance chromosome segregation in other species. Moreover, we identified a novel role for the two microtubule-growth and nucleation agents, RanGTP and CLASP, in the establishment of the centrosome-independent force during anaphase. Their involvement raises the interesting possibility that microtubule polymerization of midzone microtubules is required to sustain chromosome segregation during mitosis. Then, we aim to reversibility affect microtubule dynamics in the central spindle. Because of the lack of adequate tools, we have collaborated with biochemists from Dr. D. Trauner lab, in Munich, Germany, who are specialized in photoactivable drugs. They have synthetized a photoswitable drug, Photostatin (PST), which can depolymerize microtubules in few seconds in an on/off manner (Borowiak et al., 2015). Under blue light (390 - 430 nm), PST is activated leading to microtubule depolymerization, whereas under green light (500 - 530 nm), PST is activated which does not affect microtubule dynamics. I measured that microtubule growing is absent in presence of activated PST in Hela cells. I also showed that cell cycle can be stopped thank to activated PST in multiple cell C. elegans embryos. We have shown that PST can control microtubule dynamics thanks to visible light in vitro, in cellulo and in vivo, as an on/off switch, in a non-invasive, local and reversible manner.

Asymmetric positioning of the mitotic spindle in C. elegans embryos is mediated by force-generating complexes that are anchored at the plasma membrane and that pull on microtubules growing out from the spindle poles. Although asymmetric distribution of the force generators is thought to underlie asymmetric positioning of the spindle, the number and location of the force generators has not been well defined. In particular, it has not been possible to visualize individual force generating events at the cortex. We discovered that perturbation of the acto-myosin cortex leads to the formation of long membrane invaginations that are pulled from the plasma membrane toward the spindle poles. Several lines of evidence show that the invaginations, which also occur in unperturbed embryos though at lower frequency, are pulled by the same force generators responsible for spindle positioning. Thus, the invaginations serve as a tool to localize the sites of force generation at the cortex and allow us to estimate a lower limit on the number of cortical force generators within the cell.

Molecular motors, highly-efficient biological nano-machines, hold the potential to be employed for a wide range of nanotechnological applications. Towards this end, kinesin, dynein or myosin motor proteins are commonly surface-immobilized within engineered environments in order to transport cargo attached to cytoskeletal filaments. Being able to flexibly control the direction of filament motion – in particular on planar, non-topographical surfaces – has, however, remained challenging. Here, we demonstrate the applicability of a UV-laser-based ablation technique to programmably generate highly-localized patterns of functional kinesin-1 motors with different shapes and sizes on PLL-g-PEG-coated polystyrene surfaces. Straight and curved motor tracks with widths of less than 500 nm could be generated in a highly-reproducible manner and proved to reliably guide gliding microtubules. Though dependent on track curvature, the characteristic travel lengths of the microtubules on the tracks significantly exceeded earlier predictions. Moreover, we experimentally verified the performance of complex kinesin-1 patterns, recently designed by evolutionary algorithms, for controlling the global directionality of microtubule motion on large-area substrates.