Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique. Asymmetric cell division is a crucial step in organism development, as it allows the generation of cellular diversity. In order to achieve asymmetric division cells need to polarize their cell fate determinants and properly orient their mitotic spindle before division. The C. elegans embryo is a powerful and widely used model to study asymmetric cell division. In the embryo the sperm entry site determines the anterior-posterior axis of polarity. In the newly fertilized embryo, shortly after meiosis, the cortex is uniformly contractile and the conserved PAR-3/PAR-6/PKC-3 complex (hereafter referred to as the PAR-3 complex) is localised on the entire cortex. Entry of the sperm triggers posterior smoothening and anterior-directed cortical flows. Asymmetric cortical contractions result in the formation of an anterior domain containing the PAR-3 complex, while the posterior-pole cortex, depleted of the PAR-3 complex, is enriched in PAR-2 and PAR-1 proteins. Therefore PAR domains define an anterior and a posterior pole of the embryo in response to cytoskeleton remodelling. The PAR-4 and PAR-5 proteins remain localized uniformly throughout the embryo. Intriguingly, the PAR proteins exert a feedback regulation on cortical contractility. PAR-5, one of the lately identified PAR proteins, was shown to be an ortholog of the adaptor protein 14-3-3 and to play an important role in cortical contractility. Despite its central role in cortical contractility and henceforth the polarization process, little is known on how PAR-5 regulates cortical contractility. The aim of this project is to better understand the regulation of cortical contractions via the PAR-5 protein and its interactors, and how they control cell polarity. In a GST pull down assay we identified several new interactors of PAR-5. Among these we found CAP-2 (actin capping protein), which was also pulled down with 14-3-3 in three different model systems. CAP-2 has been implicated in actin regulation. Interestingly we found that depletion of CAP proteins by RNA interference in wild type worms results in increased embryonic lethality, suggesting an important role in embryonic development. Live imaging of embryos depleted of CAP proteins shows that these embryos have decreased cortical contractions with a less stable pseudo cleavage furrow, indicating a defect in the regulation of the actin-myosin cytoskeleton. This was further confirmed by the decreased velocity and the number of NMY-2::GFP foci in CAP depleted embryos. Furthermore, these embryos show mild decrease in PAR-2 domain size during the polarity establishment phase. cap-2(RNAi) embryos also show a delay in cell cycle progression, however the role of the cell cycle delay in the regulation of cortical contractions has to be determined. The characterization of CAP proteins, which are cytoskeleton-remodeling regulators, will improve our understanding of the mechanisms underling the establishment and maintenance of cell polarity, and thereby asymmetric cell division.

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