Thèse présentée pour obtenir le grade de

De
Publié par

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg Par Maïwen CAUDRON Coordination de l'assemblage du fuseau mitotique par des gradients d'interactions moléculaires générés par les chromosomes Commission d'examen : Dr. Didier CHATENAY Directeur de Thèse Dr. Eric KARSENTI Co-Directeur de Thèse Prof. Yves GALERNE Rapporteur Interne Prof. Philippe DENOULET Rapporteur Externe Dr. Bruno GOUD Rapporteur Externe

  • european molecular

  • rapporteur externe

  • directeur de la thèse

  • co directeur de thèse prof

  • coordination de l'assemblage du fuseau mitotique


Publié le : mercredi 20 juin 2012
Lecture(s) : 103
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 162
Voir plus Voir moins
Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur de Strasbourg
Par
Maïwen CAUDRON
Coordination de l’assemblage du fuseau mitotique par des gradients d’interactions moléculaires générés par les chromosomes
Commission d’examen :
Dr. Didier CHATENAY Dr. Eric KARSENTI Prof. Yves GALERNE Prof. Philippe DENOULET Dr. Bruno GOUD
Directeur de Thèse Co-Directeur de Thèse Rapporteur Interne Rapporteur Externe Rapporteur Externe
European Molecular Biology Laboratory Meyerhofstrasse, 1 D-69117 Heidelberg Germany
Tel: (+49) 6221.387.403 Fax: (+49) 6221.387.512
COORDINATIONOFMITOTICSPINDLEASSEMBLYBY CHROMOSOME-GENERATEDMOLECULARINTERACTION GRADIENTS
“Le commencement de toutes les sciences, c’est l’étonnement de ce que les choses sont ce qu’elles sont.” Aristote
RÉSUMÉ
Au cours du cycle cellulaire, les chromosomes sont distribués une seule fois et de
façon identique entre les deux cellules filles. Ceci est effectué par le fuseau mitotique, une machine
complexe composée de nanotubes de protéines, les microtubules. Ces tubes s’auto-organisent
en une structure bipolaire au sein de laquelle les chromosomes se positionnent sur l’équateur et
interagissent avec les microtubules au niveau de structures spécialisées, les kinétochores.
Au début de la division cellulaire, les microtubules qui étaient alors longs et stables
deviennent brusquement plus courts et dynamiques. Cela est dû à un changement général d’état
du cytoplasme. Il a été observé qu’en l’absence de chromosomes, les microtubules ne pouvaient
pas s’auto-organiser en un fuseau mitotique bipolaire au sein du cytoplasme mitotique. Cette
observation surprenante a soulevé la question des mécanismes impliqués dans le processus
d’auto-organisation du fuseau mitotique et en particulier du rôle possible des chromosomes. Ceci
était intéressant dans la mesure où cela représenterait un exemple de coordination de l’assemblage
d’une machine par l’objet même sur lequel elle agit.
Il s’est avéré que les chromosomes jouent effectivement un rôle central dans le
processus de formation du fuseau mitotique, en modifiant localement l’état du cytoplasme, ce qui
induit la nucléation et la stabilisation des microtubules. Les microtubules s’auto-organisent alors
en fuseau bipolaire, sous l’action de moteurs moléculaires.
Les résultats présentés ici montrent théoriquement et expérimentalement que les
chromosomes génèrent des gradients d’interactions moléculaires qui procurent une information
spatiale nécessaire à la coordination de la nucléation et de la stabilisation des microtubules, deux
événements essentiels dans le processus d’auto organisation du fuseau mitotique. Une petite molécule que l’on nomme Ran, existe sous deux formes. Un état riche en énergie qui contient du GTP et un état pauvre en énergie qui contient du GDP. Il y a un facteur sur les chromosomes qui échange le GDP de Ran pour du GTP et un autre facteur dans le cytoplasme qui active l’activité GTPasique de Ran. Ceci conduit à une haute concentration locale en Ran-GTP autour des chromosomes. Sous cette forme, Ran interagit avec des complexes moléculaires présents dans le cytoplasme. Ces complexes sont appelés importine-protéines nucléaires (protéines à NLS). Lors de la liaison du Ran-GTP aux importines, les protéines à NLS sont relâchées autour des chromosomes. Il se trouve que parmi ces protéines, il y a des molécules qui induisent la nucléation
et la stabilisation des microtubules. Dans ma thèse, j’ai montré que de tels effets sont importants
pour l’assemblage du fuseau mitotique. Ensuite, j’ai montré qu’il était possible de calculer la
forme des gradients de Ran-GTP libre, de complexes Ran-GTP-importine et de protéines à
NLS libres en utilisant des équations de réaction-diffusion. Finalement, j’ai visualisé le gradient
7
formé par le complexe Ran-GTP-importine en utilisant la méthode de FLIM, et montré que ce gradient pouvait être lu de façon spécifique par le système microtubulaire de telle sorte qu’il induise la nucléation des microtubules près des chromosomes et leur stabilisation à plus grande distance.
En résumé, j’ai montré que des phénomènes de réaction-diffusion autour des chromosomes sont à la base du contrôle de l’auto-organisation des microtubules en un fuseau bipolaire.
----------------------------------------------------------------------------
Ces résultats ont été soumis à la revueNaturepour publication :
“Spatial read out of a chromosome-generated signalling gradient by the microtubule
system during spindle assembly”
Maïwen Caudron, Gertrude Bunt, Philippe Bastiaens and Eric Karsenti
8
ABSTRACT
Once in every cell cycle, living cells distribute evenly their chromosomes to the two daughter cells. The cellular machine that achieves chromosome segregation is the mitotic spindle, which is made of protein nanotubes arranged into a bipolar system that surround the chromosomes to which the tubes are attached through specialized regions, the kinetochores. At the onset of cell division, microtubules that were long and stable suddenly become shorter and highly dynamic. This is due to a general change in the state of the cytoplasmic environment. Surprisingly, the mitotic cytoplasm does not support the assembly of a bipolar spindle in the absence of chromosomes, raising questions about the mechanism of spindle assembly and the role of chromosomes in this process. This was interesting since this could represent an example of the coordination of the assembly of a machine by the substrate on which it is acting. It appeared that chromosomes actually play a central role in spindle assembly by modifying locally the nature of the cytoplasm in their vicinity, thereby promoting the nucleation and stabilization of microtubules that finally self-organize into a bipolar array thanks to the action of various molecular motors. In this thesis, I show both theoretically and experimentally that chromosomes generate gradients of molecular interactions that provide spatial cues required for the coordination of microtubule nucleation and plus end stabilization, two essential events in the pathway that leads to the self-organization of the mitotic spindle. A small molecule called Ran can be present in two forms. A high-energy state that contains GTP and a low-energy state that is loaded with GDP. On the chromosomes, there is a nucleotide exchange factor that loads Ran with GTP and in the cytoplasm there is a GTPase “activating factor” that forces Ran to hydrolyze the bound GTP into GDP. Previous work had shown that the local production of Ran-GTP around chromosomes leads to its interaction with molecular complexes present in the cytoplasm. These complexes are called importin-Nuclear proteins (NLS proteins). Upon binding of Ran-GTP to importins, NLS proteins are released around chromosomes. It turns out that among these NLS proteins, there are molecules that trigger microtubule nucleation and stabilize microtubules when they are released from importins. In my thesis, I have shown that such a local effect on microtubule nucleation and stabilization is important for the proper formation of a mitotic spindle. Then, I showed that reaction-diffusion equations allow calculating the shape and extent of the gradients of various molecular species like free Ran-GTP, Ran-GTP-importin complexes and free NLS
proteins. Finally, I have used Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) technology to visualize the
shape of the Ran-GTP-importin gradient and demonstrated that this gradient was read differently
by the microtubule system so that microtubule nucleation occurs close to chromosomes while
9
stabilization effects is sensed much further away.
In summary, I have shown that a reaction-diffusion process occurring around chromosomes governs the self-organization of microtubules into a bipolar spindle.
----------------------------------------------------------------------------These results have been submitted to the revueNaturefor publication:
“Spatial read out of a chromosome-generated signalling gradient by the microtubule
system during spindle assembly”
Maïwen Caudron, Gertrude Bunt, Philippe Bastiaens and Eric Karsenti
1
0
ACKNOWLEDGEMENTS
First of all, I would like to thank Eric Karsenti for giving me the opportunity to work
in his lab. He proposed me a very interesting project along which I learned a lot about biology, what was my aim when I decided to do my PhD at EMBL. At the same time, Eric is convinced that biology cannot be understood anymore without the use of ever changing new techniques and concepts derived from physics . During my project, I realized that having an interdisciplinary approach was a real advantage to understand the system we were working with as a whole. Again, I would like to thank Eric, because this comforted me in the choice I made, as a physicist to look into biological questions.
I would also like to thank Philippe Bastiaens for giving me the opportunity to use the
FLIM microscope available in his lab. Also, the members of this lab were always very helpful,
especially Tony Squire and Peter Verveer who spent a lot of time teaching me how to use the
microscope and how to analyze the data.
I thank the members of my Thesis Advisory Committee, Didier Chatenay, who is also my Thesis Supervisor at the University of Strasbourg, Iain Mattaj, and Francois Nédélec, for their time, for the discussions and their precious advices regarding the progress of my PhD work.
Special thanks to the members of the Karsenti, Surrey, Nédélec, Mattaj and Vernos
laboratories, for their help during the beginning of my thesis work as I had no clue about biological
techniques. I always found someone to guide me through the new, strange protocols, that looked
like cooking recipes. Nobody could tell me the secret of the extract preparation, I learned that
there is some Voodoo going on there…but people guided me gently towards the discovery of my
own rituals. Thanks for the great atmosphere in the lab and on the fifth floor. Merci à toi Julie,
pour tout, surtout pour savoir partager bonnes et mauvaises humeurs!
A very big thanks to music@embl, and all the people who supported and continue
to support our music club. It was a very emotive moment to hear the first grand piano vibrations
at EMBL. Merci Caroline, pour ton énergie, ton enthousiasme à toutes épreuves, ton investissement
et ta spontanéité.
1
1
Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.