京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18496号 / 理博第4011号 / 新制||理||1578(附属図書館) / 31382 / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 西村 いくこ, 教授 鹿内 利治, 教授 長谷 あきら / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Failure to process prelamin A, by the enzyme ZMPSTE24, leads to the build up of farnesylated prelamin A, which has been implicated in causing the symptoms experienced in laminopathies and HIV therapy. A common feature to these conditions is the development of an irregular nuclear boundary, often including deep invaginations that form a nucleoplasmic reticulum. Additionally, dysregulated lipid synthesis is frequently associated with improper lamin A processing and I set out to address the molecular mechanisms behind these two features that could explain lipoatrophy experienced in patients. By using siRNA targeted against Zmpste24 I utilised an array of biochemical, molecular and imaging techniques to uncover a mechanism that leads to the production of a nucleoplasmic reticulum that was dependent on both the farnesylated tail of prelamin A and the phosphatidylcholine synthesising enzyme CCTα. The morphology of this structure consisted of an invagination of both the inner and outer nuclear membranes with a cytoplasmic core or just invagination of the inner nuclear membrane. Serial section dual axis electron tomography provided a new insight into the ultrastructural changes at the nuclear periphery that revealed novel structural features. The dysregulation of lipid synthesis was assessed by investigating the effects farnesylated prelamin A has on the distribution and dynamics of the transcription factor SREBP-1 and assessment of the downstream consequences this has on its targets that regulate adipocyte differentiation potential. Finally, the metabolomic profile of an HIV protease inhibitor that leads to prelamin A build up was generated and revealed increases in lipolysis, glycolysis and mediators of inflammation. The research presented offers a new insight into the development of a convoluted nuclear boundary and nucleoplasmic reticulum, in the context of lamin A mutants and how dysregulated lipid synthesis, caused by farnesylated prelamin A, leads to lipoatrophy.

Le complexe linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) est un complexe protéique conservé au cours de l’évolution, reliant les compartiments cytoplasmiques et nucléaires au travers la membrane nucléaire. Bien que les données récentes montrent une de ce complexe dans la régulation de la morphologie nucléaire et de la méiose, son implication dans l’organisation de la chromatine a été moins étudié chez les plantes. Le premier objectif de ce travail était de développer un plugin NucleusJ ImageJ dédié à la caractérisation de la morphologie nucléaire et de l’organisation de la chromatine en 3D. NucleusJ calcul 15 paramètres, y compris la forme et la taille des noyaux ainsi que des objets intra-nuclaires et leur position dans le noyau. Une documentation pour ce programme est disponible pour son utilisation, ainsi que des qu’un jeu données de noyaux pour tester ce programme. Plusieurs améliorations sont en cours pour développer une nouvelle version de ce plugin. Dans une deuxième partie de ce travail, des méthodes d’imagerie 3D ont été utilisées pour étudier la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine dans les noyaux interphasiques chez Arabidopsis thaliana dans lequel les domaines d’htrochromatique sont groupés en régions detectable appelés chromocentres. Ces chromocentres forment un environnement répressif contribuant la rpression transcriptionnelle de séquences répétées permettant la stabilité du génome. Des mesures quantitatives de la position 3D de chromocentres dans le noyau montrent que la plupart chromocentres sont situés proximité de la périphérie du noyau, mais que cette distance peut être modifiée par le volume nucléaire ou dans certains mutants affectant le complexe LINC. Ce complexe LINC est proposé pour contribuer l’organisation de la chromatine et à son positionnement, de plus la mutation de ce complexe est associée une dérégulation l’inactivation de la transcription, ainsi qu’a une décompaction des séquences hétérochromatiques. La dernière partie de ce travail tire profit de séquences gnomiques disponibles et les données de RNA-seq pour explorer l’évolution des protines de la NE chez les plantes. Au Final, le travail réalisé durant cette thèse associe la génétique, la biologie moléculaire, la bioinformatique et de l’imagerie afin de mieux comprendre la contribution de l’enveloppe nucléaire dans l’organisation de la morphologie du noyaux et de la chromatine et suggère l’implication fonctionnelle du complexe LINC dans ces processus. / The linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex is an evolutionarily well-conserved protein bridge connecting the cytoplasmic and nuclear compartments across the nuclear membrane. While recent data supports its function in nuclear morphology and meiosis, its implication for chromatin organisation has been less studied in plants. The first aim of this work was to develop NucleusJ a simple and user-friendly ImageJ plugin dedicated to the characterisation of nuclear morphology and chromatin organisation in 3D. NucleusJ quantifies 15 parameters including shape and size of nuclei as well as intra-nuclear objects and their position within the nucleus. A step-by-step documentation is available for self-training, together with data sets of nuclei with different nuclear organisation. Several improvements are ongoing to release a new version of this plugin. In a second part of this work, 3D imaging methods have been used to investigate nuclear morphology and chromatin organisation in interphase nuclei of the plant model Arabidopsis thaliana in which heterochromatin domains cluster in conspicuous chromatin regions called chromocentres. Chromocentres form a repressive chromatin environment contributing to the transcriptional silencing of repeated sequences a general mechanism needed for genome stability. Quantitative measurements of 3D position of chromocentres in the nucleus indicate that most chromocentres are situated in close proximity to the periphery of the nucleus but that this distance can be altered according to nuclear volume or in specific mutants affecting the LINC complex. Finally, the LINC complex is proposed to contribute at the proper chromatin organisation and positioning since its alteration is associated with the release of transcriptional silencing as well as decompaction of heterochromatic sequences. The last part of this work takes advantage of available genomic sequences and RNA-seq data to explore the evolution of NE proteins in plants and propose a minimal requirement to built the simplest functional nuclear envelope. Altogether, work achieved in this thesis associate genetics, molecular biology, bioinformatics and imaging to better understand the contribution of the nuclear envelope in nuclear morphology and chromatin organisation and suggests the functional implication of the LINC complex in these processes.

Denna studie undersöker cellstorlekens inverkan på metabola processer, med särskilt fokus på skillnader mellan senescenta och icke-senescenta celler under varierande glukosförhållanden. Genom fluorescerande färgning, avbildning och flödescytometri analyserades nukleär och cellulär morfologi, DNA-innehåll, glukosupptag och cellvolym i cellinjerna HeLa Kyoto och DU-145. Resultaten visar signifikanta morfologiska förändringar i senescenta celler, inklusive ökad nukleär och cellulär storlek, högre aspektförhållanden och minskad nukleär konvexitet. Senescens associeras med minskat glukosupptag och förändrad metabolisk aktivitet, där större celler uppvisar lägre metabola hastigheter. Dessa fynd indikerar att cellulär senescens väsentligt påverkar metaboliska processer och morfologi, oberoende av glukoskoncentration. Forskningen förbättrar vår förståelse av cellulär metabolism och senescens, och erbjuder potentiella implikationer för terapeutiska strategier mot metabola störningar och cancer. Framtida studier bör undersöka de specifika mekanismerna bakom dessa förändringar och deras bredare tillämpningar inom medicinsk vetenskap.