Rôle des septines dans la morphogenèse des cellules animales – SEPTIMORF

La méthodologie de SEPTIMORF repose sur la combinaison d'une étude réductionniste utilisant la reconstitution acellulaire avec des études fonctionnelles sur des modèles cellulaires. Pour reconstituer l'organisation et la fonction des septines, nous observons et analysons des hexamères ou des octamères de septines purifiés, seuls, en présence de filaments d’actine, de microtubules ou de membranes biomimétiques. Pour examiner comment les septines interagissent avec les différents composants, nous utilisons une variété de techniques de microscopie qui nous permettent d'observer l'organisation des molécules à l'échelle micrométrique et nanométrique. Pour déterminer si les septines dans les cellules existent sous forme de filaments, nous avons mis au point un système rapporteur qui produit de la fluorescence lorsque des interactions spécifiques septine-septine se produisent. Nous avons également développé un mutant qui entrave la polymérisation des septines et un mutant qui perturbe les hexamères tout en préservant les octamères, ce qui nous a permis d'étudier leurs fonctions respectives. Pour étudier les interactions septine-membrane dans les cellules, nous avons utilisé une technique qui mesure la proximité des septines aux membranes par rapport à l'actine. Enfin, pour identifier la partie des septines qui se lie aux microtubules, nous avons poursuivi une approche bioinformatique pour identifier les protéines de liaison aux microtubules contenant des séquences similaires aux septines, et généré une série de mutants pour sonder la liaison septine-microtubules.

SEPTIMORF a permis d'obtenir trois résultats majeurs. Premièrement, nous avons montré que la composition lipidique de la membrane a un impact considérable sur l'organisation des septines. Ensuite, nous avons réussi à identifier le domaine de liaison des septines aux microtubules et avons également montré que la séquence de la SEPT9 portant les mutations HNA a un rôle régulateur dans l'association septine-microtubules, sans être nécessaire à cette association. Nous avons enfin montré que toutes les septines associées aux filaments d'actine dans les cellules existent sous forme de filaments contenant exclusivement des octamères qui ont pour fonction d'ancrer l'actine à la membrane cellulaire. Ces résultats présentent un large intérêt scientifique, avec un impact dans de multiples domaines, de la biologie cellulaire et du développement à la mécanobiologie et à la recherche sur le cancer, les maladies neurodégénératives et neuro-musculaires.

Compte tenu de l'expression ubiquitaire des septines dans les tissus humains, de l'implication des septines dans de nombreuses maladies humaines, y compris l'amyotrophie neuronale héréditaire (HNA) spécifique de la SEPT9, et de la nature hautement conservée des septines, les résultats de SEPTIMORF présentent un large intérêt scientifique et auront un impact dans de nombreux domaines, de la biologie cellulaire et du développement à la mécanobiologie. La recherche en biologie des septines et en biologie plus large du cytosquelette, mais aussi en morphogenèse cellulaire et tissulaire, pourra s'appuyer sur nos résultats pour explorer les bases moléculaires de la fonction des septines dans un contexte multicellulaire et dans le cadre de la physiopathologie. Il est important de noter que les résultats de SEPTIMORF fourniront à la communauté scientifique une large gamme de nouveaux outils pour étudier l'organisation des septines in vitro et dans les cellules : la génération des complexes de septines humaines recombinantes, l'identification du domaine de liaison aux microtubules, le développement d'un nouveau protocole pour sonder les interactions spécifiques septine-septine, sont des exemples de ces outils qui promettent d'être largement utilisés dans de multiples contextes. Les outils que nous avons développés peuvent être facilement adaptés pour des études dans des systèmes modèles animaux, ce qui contribuera à faire progresser les études dans un contexte multicellulaire. Pour contribuer à la science ouverte, nous avons déposé tous les plasmides utilisés dans nos études auprès du dépôt à but non lucratif Addgene. Il est également important de souligner que SEPTIMORF met en valeur les efforts conjoints des physiciens et des biologistes. Le succès de notre approche renforcera le potentiel des approches interdisciplinaires à plusieurs échelles pour élucider la fonction de la septine et, plus largement, la fonction biologique, et fournira également un paradigme pour inspirer et former la prochaine génération de scientifiques avec une éducation interdisciplinaire.
Notre travail a apporté des réponses à des questions fondamentales, mais a également mis en évidence l'importance de travailler activement à quatre objectifs principaux dans les études futures. Premièrement, l'identification du domaine de liaison à l'actine et du domaine de liaison à la membrane dans les septines nous permettra de sonder directement la manière dont la liaison membrane-septine-actine interagit avec la fonction des septines. Deuxièmement, la structure nanométrique des interactions actine-septine, membrane-septine et septine-microtubules sera essentielle pour nous permettre de déchiffrer comment toutes ces interactions fonctionnent ensemble pour permettre la fonction des septines. Enfin, l'étude des septines dans un contexte multicellulaire promet de conduire à des avancées significatives dans notre compréhension de la fonction des septines dans un contexte physiologique.

Les travaux de SEPTIMORF ont donné lieu à sept publications dans des revues internationales à comité de lecture à très forte visibilité dans le domaine de la biologie cellulaire, dont les revues eLife et Journal of Cell Science. Ces publications sont rédigées conjointement par plusieurs membres du consortium, ce qui reflète le véritable caractère interdisciplinaire du projet.

Les septines sont les protéines du cytosquelette conservées et ubiquitaires qui ont un rôle centrale dans la division et la motilité cellulaire ainsi que dans la morphogenèse de la cellule animale. Les septines forment des protomères palindromiques qui peuvent s’auto-assembler en structures filamentaires et se lier à la membrane plasmique ainsi qu’aux filaments d'actine et a des microtubules. Le dysfonctionnement des septines engendre des pathologies chez l’homme (infertilite, maladies neurodégénératives, cancer) mais les mécanismes moléculaires qui régulent leur fonction ont été peu étudiés et sont donc mal connus. SEPTIMORF étudiera le rôle des septines dans la division cellulaire animale qui constitue un système modèle d'un processus de morphogenèse dont la reussite repose sur les septines. Plusieurs types de protomères de septines interagissent avec des membranes cellulaires, de l'actine et des microtubules, mais leur contribution exacte a la fonction des septines n'est pas connue. Afin de déterminer le lien entre l'organisation et la fonction des septines humaines et d'établir l'hiérarchie des interactions entre les septines et les autres éléments du cytosquelette, SEPTIMORF combine une approche bottom-up en utilisant des molécules purifiés avec des études fonctionnelles dans des cellules en division.