DS04 - Vie, santé et bien-être

Mécanisme d'activation du complexe Bora-Plk1 pour l'entrée en mitose – AMBRE

Au cœur de l'entrée en mitose

Décodage du mécanisme moléculaire conduisant à l'entrée en mitose

Comment les kinases mitotiques sont-elles activées lors de l'entrée en mitose?

La division cellulaire (mitose) est un processus fondamental nécessaire à la génération d'organismes multicellulaires, au renouvellement des tissus et à l'homéostasie. La mitose entraîne la répartition d'un matériel génétique identique dans deux cellules filles. L'engagement dans la mitose doit être étroitement coordonné avec la réplication de l'ADN pour préserver l'intégrité du génome. De manière cohérente, une mitose non programmée peut contribuer à l'instabilité génétique dans de nombreuses pathologies. <br /> L'entrée en mitose est déclenchée par l'activation d'une cascade de kinases mitotiques comprenant Aurora A, Plk1 et culminant avec l'activation de CyclinB-Cdk1. Comme ces kinases réorganisent les structures cellulaires pour préparer la cellule à la mitose, leur activation doit être étroitement coordonnée dans l'espace et le temps. Plus important encore, leur activation doit être coordonnée avec la fin de la phase S. <br />Toutes les kinases sont activées par des mécanismes communs, en particulier la phosphorylation d'un résidu conservé au sein de la fameuse boucle en T d'activation, une région variable entre les sous-domaines catalytiques VII et VIII des protéines kinases. <br />Le premier objectif du projet était de disséquer les mécanismes moléculaires conduisant à l'activation des kinases AURKA et Plk1. Le second objectif était de déchiffrer le rôle de Plk1 dans la dégradation de l'enveloppe nucléaire en identifiant ses cibles critiques.

Nous avons utilisé une approche multi-échelle (de la molécule à l'organisme) et multidisciplinaire combinant la biochimie (production et purification de protéines, essais in vitro, biacore, polarisation de fluorescence), la biologie structurale (RMN), la protéomique (spectrométrie de masse en tandem ascendante), la biologie cellulaire (imagerie de cellules vivantes) ainsi que des essais fonctionnels dans trois systèmes biologiques (extraits de Xenopus, C. elegans, cellules humaines).

Nous avons découvert un nouveau mécanisme d'activation des kinases dans lequel la protéine intrinsèquement désordonnée Bora, phosphorylée sur un site unique par Cyclin A-Cdk1 (Vigneron et al., 2018) active allostériquement AURKA pour l'engagement mitotique. Nous avons découvert que l'adduit de phosphate sur Bora peut se substituer en trans à l'autophosphorylation d'AURKA sur le segment A (T288) pour activer AURKA et déclencher l'engagement mitotique. Ce mécanisme représente un nouveau paradigme dans la régulation des kinases mitotiques (Tavernier et al., 2021b) et pour les revues (Tavernier et al., 2021a; Pillan et al., 2022).

Le mécanisme que nous avons découvert permet de coordonner les phases S/G2 et l’entrée en mitose. Bora agit donc comme une molécule signal qui couple l’activité des complexes Cycline A-Cdk1 à l’activation des kinases mitotiques. La mise en évidence de l’existence de différentes formes d’AURKA, régulées par divers mécanismes dans le temps et l’espace, pourrait ouvrir de nouvelles pistes dans le développement de stratégies anticancéreuses ciblées pour inactiver certaines fonctions d’AURKA. En effet, une surexpression d’AURKA est observée dans de nombreux cancers, associée à un mauvais pronostic pour les patients.

1- Velez-Aguilera, G., Ossareh-Nazari, B., Van Hove, L., Joly, N., and Pintard, L. (2022). Cortical microtubule pulling forces contribute to the union of the parental genomes in the Caenorhabditis elegans zygote. Elife 11, e75382.

2- Lebrec, V., Poteau, M., Morretton, J. P., and Gavet, O. (2022). Chk1 dynamics in G2 phase upon replication stress predict daughter cell outcome. Dev Cell 57(5), 638-653.e5.

3- Pillan, A., Tavernier, N., and Pintard, L. (2022). [The kiss of life: Aurora A embraces the phosphate of its cofactor Bora to trigger mitotic entry]. Med Sci (Paris) 38(4), 345-347.

4- Tavernier, N., Sicheri, F.*, and Pintard, L*. (2021a). Aurora A kinase activation: Different means to different ends. J Cell Biol 220(9),

5- Tavernier, N., Thomas, Y., Vigneron, S., Maisonneuve, P., Orlicky, S., Mader, P., Regmi, S. G., Van Hove, L., Levinson, N. M., Gasmi-Seabrook, G., Joly, N., Poteau, M., Velez-Aguilera, G., Gavet, O., Castro, A., Dasso, M., Lorca, T., Sicheri, F.*, and Pintard, L*. (2021b). Bora phosphorylation substitutes in trans for T-loop phosphorylation in Aurora A to promote mitotic entry. Nat Commun 12(1), 1899.

6- Velez-Aguilera, G., Nkombo Nkoula, S., Ossareh-Nazari, B., Link, J., Paouneskou, D., Van Hove, L., Joly, N., Tavernier, N., Verbavatz, J. M., Jantsch, V., and Pintard, L. (2020). PLK-1 promotes the merger of the parental genome into a single nucleus by triggering lamina disassembly. Elife 9, e59510.

7- Pintard, L., and Bowerman, B. (2019). Mitotic Cell Division in Caenorhabditis elegans. Genetics 211(1), 35-73.

8- Vigneron, S., Sundermann, L., Labbé, J. C., Pintard, L., Radulescu, O., Castro, A., and Lorca, T. (2018). Cyclin A-cdk1-Dependent Phosphorylation of Bora Is the Triggering Factor Promoting Mitotic Entry. Dev Cell 45(5), 637-650.e7.

9- Pintard, L., and Archambault, V. (2018). A unified view of spatio-temporal control of mitotic entry: Polo kinase as the key. Open Biol 8

10- Castro, A., and Lorca, T. (2018). Greatwall kinase at a glance. J Cell Sci 131(20)

11- Martino, L., Morchoisne-Bolhy, S., Cheerambathur, D. K., Van Hove, L., Dumont, J., Joly, N., Desai, A., Doye, V., and Pintard, L. (2017). Channel Nucleoporins Recruit PLK-1 to Nuclear Pore Complexes to Direct Nuclear Envelope Breakdown in C. elegans. Dev Cell 43(2), 157-171.e7.

12- Gheghiani, L., Loew, D., Lombard, B., Mansfeld, J., and Gavet, O. (2017). PLK1 Activation in Late G2 Sets Up Commitment to Mitosis. Cell Rep 19(10), 2060-2073.

La division cellulaire (mitose) est un processus fondamental nécessaire à la génération d'organismes multicellulaires, au renouvellement des tissus et à la reproduction asexuée. La mitose permet la distribution égale du matériel génétique entre les deux cellules filles. L’entrée en mitose doit être coordonnée avec la réplication de l’ADN afin d’assurer la stabilité du génome. En effet, une entrée prématurée en mitose peut contribuer à l'instabilité génétique, qui est à l’origine de nombreuses pathologies et notamment des cancers. L'entrée en mitose est contrôlée par des protéines kinases ainsi que des phosphatases conservées au cours de l’évolution. Cependant, comment ces activités kinases sont régulées et coordonnées dans l'espace et dans le temps pour déclencher l’entrée en mitose au bon moment reste mal compris.

La kinase Plk1 est essentielle pour la ségrégation des chromosomes en mitose. Plk1 contrôle la maturation des centrosomes, la condensation des chromosomes, l’assemblage du fuseau mitotique, la séparation des chromatides soeurs et la cytokinèse. Nous avons récemment montré que Plk1 est activée de manière soudaine juste avant la mitose, et qu’elle est essentielle pour l’entrée en mitose (Gheghiani et al. Cell Reports, en révision). Nous avons montré qu’un complexe Cyclin A2-Cdk, qui coordonne la phase S et la mitose, est requis pour activer Plk1. Nous avons également découvert que Plk1 est activement recrutée à l'enveloppe nucléaire et contribue à sa rupture en prophase (Martino et al. Developmental Cell, en révision). Cependant, les mécanismes et les voies qui activent Plk1 dans l'espace et le temps pour déclencher une entrée irréversible en mitose ne sont pas connus. De même, le mécanisme de recrutement de Plk1 à l’enveloppe nucléaire et son rôle dans la rupture de l’enveloppe restent à déterminer. L'activation de Plk1 dépend de sa phosphorylation sur un résidu conservé (Thr210) situé dans sa boucle d'activation par la kinase Aurora A (AurkA). Ce processus nécessite la protéine Bora, qui stimule la phosphorylation de Plk1 par AurkA. La phosphorylation de Bora par Cdk1/2 est critique pour l'activation de Plk1. L'identité du complexe Cyclin-Cdk impliqué, la régulation spatio-temporelle de la phosphorylation de Bora et le mécanisme par lequel Bora phosphorylée déclenche l'activation de Plk1 et l'entrée en mitose restent méconnus. Nous utiliserons une approche multidisciplinaire (biologie cellulaire, génétique, biochimie et biologie structurale) dans trois organismes modèles (Xénope, cellules humaines, C. elegans) afin d’identifier le mécanisme précis d’activation, ainsi que les fonctions de Plk1 lors de l'entrée mitose.
Nous disposons de l'expertise complémentaire nécessaire en biochimie, en biologie structurale et en biologie cellulaire, ainsi que les outils et les méthodologies pour atteindre nos objectifs.

• Nous identifierons le mécanisme d'activation Plk1 par Bora et AurA. Plk1 est une kinase centrale du cycle cellulaire, qui est dérégulée dans de nombreux cancers. Comprendre son mécanisme d'activation revêt d'une importance fondamentale pour le développement de stratégies à visées thérapeutiques. À cet égard, cette partie du projet aura des implications sociétales et économiques importantes. Le développement d'inhibiteurs de Bora et leur utilisation en association avec des inhibiteurs de Plkl déjà disponibles représente une stratégie attrayante pour inhiber Plk1 de façon robuste.

• Nous déterminerons comment la kinase CyclinA-Cdk1/2 déclenche l’entrée en mitose. CyclinA s’associe à Cdk2 puis à Cdk1 pour coordonner la réplication de l'ADN et la mitose. Comprendre le rôle de la CyclinA est critique pour déterminer comment la réplication et la mitose sont coordonnées au cours du cycle cellulaire.

• Nous déterminerons le rôle de Plk1 dans la rupture de l'enveloppe nucléaire, qui est une étape essentielle permettant la libération des chromosomes et leur ségrégation entre les cellules filles.

Coordinateur du projet

Monsieur Lionel PINTARD (Institut Jacques Monod)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS Villejuif - Institut Jacques Monod Institut Jacques Monod
University of TORONTO Mount Sinai Hospital
CRBM UMR 5237 CNRS Lang-Rouss Centre de Recherche de Biologie cellulaire de Montpellier
UMR8200 CNRS Stabilité génétique et oncogenèse

Aide de l'ANR 574 824 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2017 - 48 Mois

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