Asymmetric cell division intersects with cell geometry : a method to extrapolate and quantify geometrical parameters of sensory organ precursors

La division cellulaire asymétrique (DCA) consiste en une division pendant laquelle des déterminants cellulaires sont distribués préférentiellement dans une des deux cellules filles. Par l’action de ces déterminants, la DCA générera donc deux cellules filles différentes. Ainsi, la DCA est importante pour générer la diversité cellulaire et pour maintenir l’homéostasie de certaines cellules souches. Pour induire une répartition asymétrique des déterminants cellulaires,  le positionnement du fuseau mitotique doit être très bien contrôlé. Fréquemment ceci génère deux cellules filles de tailles différentes, car le fuseau mitotique n’est pas centré pendant la mitose, ce qui induit un positionnement asymétrique du sillon de clivage.   Bien qu’un complexe impliquant des GTPases hétérotrimériques et des protéines liant les microtubules au cortex ait été impliqué directement dans le positionnement du fuseau mitotique, le mécanisme exact induisant le positionnement asymétrique du fuseau durant la DCA n'est pas encore compris. Des études récentes suggèrent qu’une régulation asymétrique du cytosquelette d’actine pourrait être responsable de ce positionnement asymétrique du faisceau mitotique. Donc, nous émettons l'hypothèse que des contractions asymétriques d’actine pendant la division cellulaire pourraient déplacer le fuseau mitotique et le sillon de clivage  pour créer une asymétrie cellulaire. Nos résultats préliminaires ont démontré que le blebbing cortical, qui est une indication de tension corticale et de contraction, se produit préférentiellement dans la moitié antérieure de cellule précurseur d’organes sensoriels (SOP) pendant le stage de télophase.  Nos données soutiennent l'idée que les petites GTPases de la famille Rho pourraient être impliqués dans la régulation du fuseau mitotique et ainsi contrôler la DCA des SOP. Les paramètres expérimentaux développés pour cette thèse, pour étudier la régulation de l’orientation et le positionnement du fuseau mitotique, ouvrirons de nouvelles avenues pour contrôler ce processus, ce qui pourrait être utile pour freiner la progression de cellules cancéreuses. Les résultats préliminaires de ce projet proposeront une manière dont les petites GTPases de la famille Rho peuvent être impliqués dans le contrôle de la division cellulaire asymétrique in vivo dans les SOP.  Les modèles théoriques qui sont expliqués dans cette étude pourront servir à améliorer les méthodes quantitatives de biologie cellulaire de la DCA. Asymmetric cell division (ACD) consists in a cellular division during which specific cell fate determinants are distributed preferentially in one daughter cell, which then differentiate from its sibling. Hence, ACD is important to generate cell diversity and is used to regulate stem cells homeostasis. For proper asymmetric distribution of cell fate determinants, the positioning of the mitotic spindle has to be tightly controlled. Frequently, this induces a cell size asymmetry, since the spindle is then not centered during mitosis, leading to an asymmetric positioning of the cleavage furrow.   Although small small GTPases have been shown to act directly on the spindle, the exact mechanism controlling spindle positioning during ACD is not understood. Recent studies suggest that an independent, yet uncharacterized pathway is involved in spindle positioning, which is likely to involve an asymmetric regulation of the actin cytoskeleton. Indeed, actin enables spindle anchoring to the cortex. Hence we hypothesize that asymmetric actin contractions during cytokinesis might displace the mitotic spindle and the cleavage furrow, leading to cell size asymmetry. Interestingly, from our preliminary results we observed that cortical blebbing, which is a read-out of cortical tension/contraction, preferentially occurs on the anterior side of the dividing sensory organ precursor (SOP) cells at telophase.  Our preliminary data support the idea that Rho small GTPases might be implicated in regulation of the mitotic spindle hence controlling asymmetric cell division of SOP cells. The experimental settings developed for this thesis, for studying regulation of the mitotic spindle orientation and positioning will serve as proof of concept of how geneticist and biochemist experts could design ways to control such process by different means in cancerous cells.  The preliminary results from this project open novel insights on how the Rho small GTPases might be implicated in controlling asymmetric cell division hence their dynamics in vivo of such process during SOP development. Furthermore, the assays and the theoretical model developed in this study can be used as background that could serve to design improved quantitative experimental methods for cell biology synchronizing sub-networks of ACD mechanism.

Keyphrases: Précurseurs d’organe sensoriel (SOP), Mécanisme du fuseau mitotique, Cellule sort déterminants, Blebbing cortical, Sensory organ precursors (SOP), Mitotic spindle mechanism, cell fate determinants, Cortical blebbing