Cilia are small microtubule based protrusions found on most cells of the vertebrate body. In humans, defects in the structure or function of cilia results in a large class of developmental and homeostatic diseases known collectively as the ciliopathies. Ciliogenesis is accomplished by the concerted action of a number of molecular pathways including the intraflagellar transport (IFT) system. IFT is a group of ~20 highly conserved proteins that assemble into large macromolecular complexes known as trains. These trains act to carry cargo bi-directionally between the cell body and ciliary tip, via interaction with the microtubule motors kinesin and dynein. IFT train dynamics are required for both cilia structure and function, however the controls on these dynamics are still incompletely understood. Here, I present the first platform for study of IFT dynamics within vertebrate multiciliated cells, an understudied population with critical functions in development and homeostasis. Using this platform, I demonstrate that the planar cell polarity effector protein Fuz is required for IFT dynamics via its control of the cytoplasmic localization of a subset of IFT proteins. Subsequently, I find that a Fuz binding partner, the putative small GTPase Rsg1, is also required for IFT protein localization and dynamics. Additionally, I describe a role for Rsg1 in basal body docking, one of the earliest events of ciliogenesis. Finally, I show that the poorly studied protein TTC29 is required for a specific subset of IFT dynamic behaviors. These data reveal novel regulatory motifs for ciliogenesis and demonstrate, specifically, the complexities of IFT regulation in the cytoplasm and within the cilium itself. Finally, they suggest that multiciliated cells provide a tractable platform for generating robust datasets for the investigation ciliary dynamics. Such studies are critical for informing our understanding of the molecular etiology of human ciliopathic diseases. / text

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22306号 / 医博第4547号 / 新制||医||1040(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 妻木 範行, 教授 平井 豊博, 教授 川口 義弥 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les cellules multiciliées (MCC) possèdent à leur surface apicale des centaines de cils mobiles générant un flux directionnel liquidien nécessaire par exemple pour le nettoyage des voies respiratoires. La fabrication de ces cils (multiciliogénèse) requiert une séquence d’évènements cellulaires dont un arrêt du cycle cellulaire, une réorganisation du réseau apical d’actine, une multiplication massive des centrioles suivie de leur migration au pôle apicale et de leur maturation en corps basal, à partir desquels les cils s’allongent.Mon laboratoire d’accueil a mis en évidence le rôle conservé de la famille de microARN miR-34/449 dans le contrôle de la multiciliogénèse en inhibant la voie de signalisation Notch ainsi qu’en induisant un arrêt du cycle. Au cours de ma thèse, j’ai mis en évidence un nouveau niveau de régulation de ces microARN par lequel ils contrôlent la réorganisation apicale du cytosquelette d’actine, en modulant l’expression et l’activité de certaines petites GTPases. Par ailleurs, j’ai identifié et caractérisé des séquences variantes des miR-34/449 canoniques, appelées isomiR. Tandis que ces isomiR partagent des fonctions semblables à celles de leurs homologues canoniques, ils apportent également une complémentarité d’action en modulant des transcrits cibles spécifiques. Enfin, le dernier axe de mon travail a permis d’identifier le rôle de la voie de signalisation BMP dans la multiciliogénèse ainsi que d’élucider certains des mécanismes moléculaires par lesquels elle contrôle ce phénomène. L’ensemble de nos découvertes offre une opportunité inédite pour développer des stratégies thérapeutiques dans le traitement de maladies associées à des désordres ciliaires / Vertebrate multiciliated cells (MCC) project hundreds of motile cilia at their apical surface which coordinately beat to generate a directional fluid flow necessary for many biological functions including airway cleansing. Biogenesis of multiple cilia (multiciliogenesis) follows different key cellular steps corresponding to a cell cycle arrest, a massive multiplication of centrioles which then migrate to the apical surface to form basal bodies, from which cilia elongate. In 2011, my host laboratory evidenced that the miR-34/449 family of microRNAs control vertebrate multiciliogenesis by inducing the cell cycle arrest and by repressing the Notch pathway. My thesis work has revealed a new role of miR-34/449 by demonstrating that they modulate expression and activity of small GTPases to drive the apical reorganization of the actin network, a prerequisite for basal body anchoring. Besides, I have identified and characterized variant sequences of canonical miR-34/449 family, named isomiRs. Whereas these isomiRs share common biological functions with canonical miR-34/449 miRNAs, they may also contribute to a complementary effect by targeting specific transcripts. Finally, the last part of my work has contributed to the identification of the conserved role of the BMP pathway in the control of multiciliogenesis. I have evidenced some molecular mechanisms by which the BMP signal controls this phenomenon. Importantly, I demonstrated that BMP inhibition promotes regeneration of tracheal MCC in vivo in an asthmatic mouse model. Overall, our findings offer an unprecedented opportunity to develop novel therapeutic strategies to treat diseases associated with ciliary disorders

Les cellules multiciliées jouent un rôle essentiel dans la propulsion des fluides physiologiques. Leur dysfonctionnement provoque des maladies chroniques. Contrairement à la plupart des cellules de mammifères qui possèdent un centrosome composé de deux centrioles, les cellules multiciliées possèdent une centaine de centrioles qui servent de base à la nucléation des cils motiles. Les mécanismes d'amplification de centrioles ou de régulation du nombre de centrioles dans ce type cellulaire étaient jusque-là inconnus. Les centrioles nouvellement formés étaient considérés comme apparaissant " de novo ". Une approche de vidéomicroscopie et de microscopie de super-résolution corrélative nous a d'abord permis de déterminer que tous les procentrioles sont générés à partir du centrosome préexistant. Nous démontrons que le centriole fils du centrosome est le site principal de nucléation de 95% de centrioles nouvellement formés dans les cellules multiciliées. Ces résultats réfutent par conséquent l'origine " de novo " des centrioles dans ce type cellulaire. Puis, nous montrons que la machinerie mitotique orchestre la progression spatio-temporelle de la dynamique centriolaire dans ces cellules post-mitotiques et en phase terminale de différentiation. L'amortissement de l'activité de Cdk1 empêche la rentrée en mitose tout en permettant la coordination du nombre de centrioles, leur croissance, et leur désengagement par des transitions phasiques nécessaires à la nucléation de cils motiles. Cette thèse aide à mieux comprendre la différentiation des cellules multiciliées, les ciliopathies, ainsi que l'amplification centriolaire pathologique associée avec le cancer et la microcéphalie. / Multiciliated mammalian cells play a crucial role in the propulsion of physiological fluids. Their dysfunction causes severe chronic diseases. In contrast to the strict centriole number control in cycling cells, multiciliated cell differentiation is marked by the production of up to several hundred centrioles, each nucleating a motile cilium. The mechanisms of centriole amplification or centriole number control in these cells were unknown and new centrioles were thought to appear de novo in the cytoplasm. First, videomicroscopy combined with correlative super-resolution and electron microscopy has enabled us to determine that all procentrioles are generated via runs of nucleation from the pre-existing progenitor cell centrosome. We show that the daughter centriole of the centrosome is the primary nucleation site for 95% of the new centrioles in multiciliated cells and thus refute the de novo hypothesis. Then, we provide evidence of an activation of the mitosis regulatory network during the centriole dynamic. With single cell live imaging and pharmacological modulation of mitosis regulators, we show that the mitosis machinery orchestrates the spatiotemporal progression of centriole amplification in terminally differentiating multiciliated cell progenitors. The fine-tuning of Cdk1 activity prevents mitosis while allowing the timely coordination of centriole number, growth, and disengagement through checkpoint-like phase transitions necessary for subsequent functional motile ciliation. This PhD provides a new paradigm for studying multiciliated cell differentiation, cilia-related diseases and pathological centriole amplification associated with cancer and microcephaly.

Les cellules épendymaires sont des cellules multiciliées qui tapissent les parois de toutes les cavités du cerveau. Une fois différenciées, ces cellules ne se divisent plus au cours de la vie. Le battement de ces multiples cils motiles joue un rôle important pour maintenir un flux constant de liquide cérébrospinal à travers toutes les cavités cérébrales. Les cellules épendymaires assurent également des fonctions critiques d’échanges moléculaires avec le liquide cérébrospinal. Dans son ensemble, l’implication des cellules épendymaires et de leurs cils motiles s’avère d’une importance majeure dans le maintien des circuits neuraux ainsi que dans le fonctionnement plus global du cerveau. Récemment, une nouvelle caractéristique des cellules épendymaires a été identifiée ; elles font partie d’un microenvironnement appelé une « niche » centrée autour de cellules souches neurales dans le cerveau du rongeur adulte. Ces cellules souches neurales adultes sont capables de produire de nouveaux neurones qui migreront vers le bulbe olfactif des rongeurs adultes. Concernant leur origine, il a été montré que les cellules épendymaires multiciliées dérivent des cellules souches neurales durant les stades tardifs embryonnaires. Ces mêmes cellules souches peuvent d’ailleurs donner naissance à la plupart des différents types de cellules du cerveau. Cependant, les mécanismes par lesquels les cellules souches décident de leur destin cellulaire restent largement méconnus. Dans ce projet, nous étudions quel type de division donne naissance à des cellules épendymaires et nous nous intéressons également au lignage épendymaire. Nos données suggèrent que les cellules épendymaires ne migrent pas après leur dernière division et qu’elles restent à proximité de l’endroit où elles ont été produites. Chose particulièrement intéressante, nous montrons que les cellules épendymaires peuvent être générées par division symétrique ou asymétrique. Nos résultats révèlent aussi que les cellules souches neurales embryonnaires se divisent de manière asymétrique pour donner naissance à la fois à une celluleépendymaire et à une cellule souche neurale adulte. Ces données viennent s’ajouter à la connaissance actuelle que nous avons du développement du cerveau. De plus, elles pourraient contribuer à ouvrir de nouvelles perspectives et stratégies thérapeutiques pour soigner les maladies neurodégénératives à beaucoup plus long terme. / Ependymal cells are multiciliated cells lining the walls of all brain cavities. Once they are mature, they do not divide during life. Their motile ciliary beating endorses a crucial role in maintaining a proper flow of cerebrospinal fluid throughout all brain cavities. Ependymal cells also ensure critical molecular exchanges of the cerebrospinal fluid. On the whole, the involvement of ependymal cells and their multiple motile cilia in the maintenance of the neural circuits and more globally in the well-functioning of the entire brain have proven paramount. More recently, a new characteristic of ependymal cells has been brought to light. Namely, they are part of a microenvironment so called a “niche” surrounding adult neural stem cells in the adult rodent brain. Noteworthy, these adult neuralstem cells are capable of producing new neurons that will migrate to the olfactory bulb of rodents. In terms of their origin, it was shown that multiciliated ependymal cells derive from neural stem cells during late embryonic stages. Besides, the same stem cells can give rise to most cell types of the brain. However, little is known about how fate-decision is made in neural stem cells. In this project, we tackle more particularly how multiciliated ependymal cells arise from the neural stem cells. Most specifically, we address the type of celldivision and the ependymal cell lineage. We find that ependymal cells are not migrating subsequent to their last division, but rather stay where they were first produced. Most interestingly, they can be generated through both symmetric and asymmetric cell division. We also show that embryonic neural stem cells divide asymmetrically to give rise to both an ependymal cell and an adult stem cell. We are confident that these data bring major new insights in the current understanding of neural development. Additionally, these findingscould contribute in opening new therapeutic perspectives and strategies to cure neurodegenerative diseases in a much longer term.

Chez les vertébrés, le battement coordonné des cils motiles présents par centaines à la surface apicale des cellules multiciliées (MCC) est requis pour propulser directionnellement les fluides biologiques à l’intérieur de certains organes (voies respiratoires, ventricules cérébraux, trompes utérines ou certaines structures embryonnaires). De nombreuses pathologies humaines sont associées à des défauts ciliaires ou à une perte des MCC (dyskinésies ciliaires, mucoviscidose, asthme,...). Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à élucider les mécanismes complexes contrôlant la différenciation des MCC et donc la formation des cils motiles (multiciliogenèse). Par des approches de génomiques fonctionnelles à partir de deux modèles d’épithéliums multiciliés évolutivement éloignés (épithélium respiratoire humain et épiderme d’embryon de Xénope) nous avons identifié la famille des microARN (petits ARN non-codants régulateurs de l’expression génique) miR-449 comme majoritairement exprimée dans les MCC. Nous avons montré que miR-449 contrôle la multiciliogenèse i) en bloquant le cycle cellulaire, ii) en réprimant directement la voie de signalisation Notch et iii) en inhibant l’expression de la petite GTPase R-Ras. Enfin, nos travaux montrent que l’ensemble de ces mécanismes est conservé chez les vertébrés. En conclusion, miR-449 est un nouveau régulateur clé de la multiciliogenèse conservé au cours de l’évolution. Nos résultats pourraient ouvrir la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques utilisant des petits ARN régulateurs dans le traitement de certaines pathologies associées à des défauts ciliaires. / In vertebrates, the coordinated beating of hundreds of motile cilia present at the apical surface of multiciliated cells (MCC) is required for propel directionally flow of biological fluids inside some organs (airways, cerebral ventricles, fallopian tubes or some embryonic structures). Many human diseases are associated with ciliary defects or loss of MCC (ciliary dyskinesia, cystic fibrosis, asthma ...). In this context, my thesis has sought to elucidate the complex mechanisms that control the differentiation of MCC and thus the formation of motile cilia (multiciliogenesis). By functional genomic approaches from two evolutionarily distant models of multiciliated epithelia (human respiratory epithelium and epidermis of Xenopus embryo) we identified the miR-449 family of microRNAs (small non-coding RNAs regulating gene expression) as mainly expressed in MCC. Then, we showed that miR-449 controlled multiciliogenesis by i) blocking the cell cycle ii) directly suppressing the Notch pathway and iii) by inhibiting the expression of the small GTPase R-Ras. Finally, we have demonstrated that all these mechanisms were conserved in vertebrates. In conclusion, miR-449 is a new key and conserved regulator of multiciliogenesis. Our findings could pave the way for new therapeutic strategies using small regulatory RNAs in the treatment of several diseases associated with ciliary defects.