Approches d’optogénétique et de micropatterning pour l’étude moléculaire et systémique des divisions cellulaires orientées – LIVESPIN

Les divisions cellulaires orientées (DCO) sont essentielles au control du développement, de la croissance, et de l’homéostasie tissulaires. Des défauts de DCO sont impliqués dans diverses pathologies, comme les microcéphalies et la polykystose rénale. L’orientation précise du fuseau mitotique contrôle des divisions cellulaires asymétriques, suggérant que les DCO régulent les populations de cellules souches et protègent les tissus contre une prolifération excessive. Ainsi, des défauts d’orientation de division des cellules souches intestinales sont corrélés à un stade prétumoral. La compréhension des mécanismes qui gouvernent ce processus cellulaire fondamental est donc importante pour l’étude des pathologies humaines et le développement de stratégies préventives et curatives.
Des études dans des modèles de divisions orientéesont identifié une cascade moléculaire conservée (le complexe LGN et le complexe moteur dynein) comme un effecteur majeur de l’orientation du fuseau mitotique qui traduit une information polarisée au cortex cellulaire en forces localisées exercées sur les microtubules astraux. Des modulateurs encore mal caractérisés contrôlent la localisation, l’intensité, et la durée de ces forces. Il est important de comprendre comment ils sont orchestrés dans le temps et l’espace pour constituer un circuit moléculaire capable de détecter, interpréter et propager l’information : quel est le niveau minimal d’asymétrie nécessaire pour spécifier une orientation ? Des boucles d’amplification renforcent-elles un signal initial de polarisation ? Une fois initiée, la polarité est-elle robuste ou sensible aux perturbations ?
Les approches génétique par gain et perte de fonction in vivo ont identifié des acteurs essentiels de l’orientation du fuseau mitotique, mais ne permettent pas d’accéder aux propriétés systémiques évoquées ci-dessus, car elles abordent les fonctions moléculaires de façon globale, et non locale. Il nous apparait essentiel de développer des approches complémentaires permettant de manipuler à volonté les patrons spatiaux et temporels d’activité protéique dans des modèles simplifiés de division orientée.
Notre projet combine des avancées récentes en optogénétique, micropatterning, et imagerie live, dans le but d’étudier les mécanismes d’orientation des divisions dans un modèle de cellule unique. Les micropatrons adhésifs de taille et forme définies permettent de standardiser et de manipuler la morphologie cellulaire dans de grands nombres de cellules et ouvrent la voie à des approches systématiques et à des cribles sophistiqués. Les approches d’optogénétique utilisent un stimulus lumineux pour contrôler à l’échelle sub-cellulaire l’activation de circuits moléculaires, permettant ainsi de mesurer les réponses cellulaires à une modification moléculaire locale.
Avec ces outils, nous poursuivons deux objectifs: i) caractériser au niveau du « système cellule » comment les acteurs connus sont orchestrés au sein de circuits spatio temporels pour interpréter un flux d’information intracellulaire conduisant à l’orientation du fuseau mitotique. Nous explorerons les conditions nécessaires pour qu’une perturbation induite soit filtrée, ou au contraire amplifiée et propagée à l’échelle cellulaire par la machinerie endogène de polarité cellulaire ; ii) identifier de nouveaux régulateurs moléculaire contrôlant les divisions orientées. Nous développerons un crible par RNAi pour des modulateurs de l’orientation des divisions, et utiliserons les outils optogénétiques pour valider la fonction des gènes identifiés.
Ce projet constitue une approche innovante dans l’étude des divisions orientées. L’utilisation conjointe de micropatrons et d’optogénétique dans un paradigme d’orientation du fuseau en cellule unique permettra d’accéder à une quantité de données quantitatives et à une analyse très fine du processus, de l’échelle moléculaire à l’échelle systémique.