Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Polarité Cellulaire Planaire (PCP)“

Planar cell polarity (PCP) refers to the coordinated alignment of cell polarity across the tissue plane. Key to the establishment of PCP is asymmetric partitioning of cortical PCP components and intercellular communication to coordinate polarity between neighboring cells. Recent progress has been made toward understanding how protein transport, endocytosis, and intercellular interactions contribute to asymmetric PCP protein localization. Additionally, the functions of gradients and mechanical forces as global cues that bias PCP orientation are beginning to be elucidated. Together, these findings are shedding light on how global cues integrate with local cell interactions to organize cellular polarity at the tissue level.

Epithelial cells and other groups of cells acquire a polarity orthogonal to their apical–basal axes, referred to as Planar Cell Polarity (PCP). The process by which these cells become polarized requires a signaling pathway using Frizzled as a receptor. Responding cells sense cues from their environment that provide directional information, and they translate this information into cellular asymmetry. Most of what is known about PCP derives from studies in the fruit fly,Drosophila. We review what is known about how cells translate an unknown signal into asymmetric cytoskeletal reorganization. We then discuss how the vertebrate processes of convergent extension and cochlear hair-cell development may relate toDrosophilaPCP signaling.

ABSTRACTPlanar cell polarity (PCP) reflects cellular orientation within the plane of an epithelium. PCP is crucial during many biological patterning processes and for organ function. It is omnipresent, from convergent-extension mechanisms during early development through to terminal organogenesis, and it regulates many aspects of cell positioning and orientation during tissue morphogenesis, organ development and homeostasis. Suzanne Eaton used the power of Drosophila as a model system to study PCP, but her vision of, and impact on, PCP studies in flies translates to all animal models. As I highlight here, Suzanne's incorporation of quantitative biophysical studies of whole tissues, integrated with the detailed cell biology of PCP phenomena, completely changed how the field studies this intriguing feature. Moreover, Suzanne's impact on ongoing and future PCP studies is fundamental, long-lasting and transformative.

Planar cell polarity (PCP) regulates coordinated cellular polarity among neighboring cells to establish a polarity axis parallel to the plane of the tissue. Disruption in PCP results in a range of developmental anomalies and diseases. A key feature of PCP is the polarized and asymmetric localization of several membrane PCP proteins, which is essential to establish the polarity axis to orient cells coordinately. However, the machinery that regulates the asymmetric partition of PCP proteins remains largely unknown. In the present study, we show Van gogh-like 2 (Vangl2) in early and recycling endosomes as made evident by colocalization with diverse endosomal Rab proteins. Vangl2 biochemically interacts with adaptor protein-3 complex (AP-3). Using short hairpin RNA knockdown, we found that Vangl2 subcellular localization was modified in AP-3–depleted cells. Moreover, Vangl2 membrane localization within the cochlea is greatly reduced in AP-3–deficient mocha mice, which exhibit profound hearing loss. In inner ears from AP-3–deficient mocha mice, we observed PCP-dependent phenotypes, such as misorientation and deformation of hair cell stereociliary bundles and disorganization of hair cells characteristic of defects in convergent extension that is driven by PCP. These findings demonstrate a novel role of AP-3–mediated sorting mechanisms in regulating PCP proteins.

Abstract We have carried out meta-analyses of genome-wide association studies (GWAS) (n = 23 784) of the first two principal components (PCs) that group together cortical regions with shared variance in their surface area. PC1 (global) captured variations of most regions, whereas PC2 (visual) was specific to the primary and secondary visual cortices. We identified a total of 18 (PC1) and 17 (PC2) independent loci, which were replicated in another 25 746 individuals. The loci of the global PC1 included those associated previously with intracranial volume and/or general cognitive function, such as MAPT and IGF2BP1. The loci of the visual PC2 included DAAM1, a key player in the planar-cell-polarity pathway. We then tested associations with occupational aptitudes and, as predicted, found that the global PC1 was associated with General Learning Ability, and the visual PC2 was associated with the Form Perception aptitude. These results suggest that interindividual variations in global and regional development of the human cerebral cortex (and its molecular architecture) cascade—albeit in a very limited manner—to behaviors as complex as the choice of one’s occupation.

ABSTRACTPlanar cell polarity (PCP) is essential for tissue morphogenesis and homeostasis; however, the mechanisms that orchestrate the cell shape and packing dynamics required to establish PCP are poorly understood. Here, we identified a major role for the globular (G)-actin-binding protein thymosin-β4 (TMSB4X) in PCP establishment and cell adhesion in the developing epidermis. Depletion of Tmsb4x in mouse embryos hindered eyelid closure and hair-follicle angling owing to PCP defects. Tmsb4x depletion did not preclude epidermal cell adhesion in vivo or in vitro; however, it resulted in abnormal structural organization and stability of adherens junction (AJ) due to defects in filamentous (F)-actin and G-actin distribution. In cultured keratinocytes, TMSB4X depletion increased the perijunctional G/F-actin ratio and decreased G-actin incorporation into junctional actin networks, but it did not change the overall actin expression level or cellular F-actin content. A pharmacological treatment that increased the G/F-actin ratio and decreased actin polymerization mimicked the effects of Tmsb4x depletion on both AJs and PCP. Our results provide insights into the regulation of the actin pool and its involvement in AJ function and PCP establishment.

The planar cell polarity (PCP) signaling pathway governs collective cell movements during vertebrate embryogenesis, and certain PCP proteins are also implicated in the assembly of cilia. The septins are cytoskeletal proteins controlling behaviors such as cell division and migration. Here, we identified control of septin localization by the PCP protein Fritz as a crucial control point for both collective cell movement and ciliogenesis in Xenopus embryos. We also linked mutations in human Fritz to Bardet-Biedl and Meckel-Gruber syndromes, a notable link given that other genes mutated in these syndromes also influence collective cell movement and ciliogenesis. These findings shed light on the mechanisms by which fundamental cellular machinery, such as the cytoskeleton, is regulated during embryonic development and human disease.

Glomerular podocytes are highly polarized cells characterized by dynamic actin-based foot processes (FPs). Neighboring FPs form specialized junctions, slit diaphragms (SDs), which prevent passage of proteins into the ultrafiltrate. The SD protein complex is linked to cytoskeletal actin filaments and mutations in SD proteins lead to a dramatic change in cell morphology; proteinuria is accompanied by FP retraction and loss of SD structure. Thus, organization of the podocyte cytoskeleton is tightly linked to filtration barrier function. In a variety of cell systems, cytoskeleton arrangement is regulated by the planar cell polarity (PCP) pathway. PCP signals lead to the appearance of highly organized cellular structures that support directional cell movement and oriented cell division. Derangement of the PCP pathway causes neural tube defects and cystic kidney disease in mice. Here, we establish that the PCP pathway regulates the cytoskeleton of podocytes. We identify expression of core PCP proteins in mouse kidney sections and of PCP transcripts in murine and human cultured podocytes. The pathway is functional since Wnt5a causes redistribution of PCP proteins Dishevelled and Daam1. We also show that Wnt5a treatment changes podocyte morphology, alters nephrin distribution, increases the number of stress fibers, and increases cell motility. In reciprocal experiments, siRNA depletion of the core PCP gene Vangl2 reduced the number of cell projections and decreased stress fibers and cell motility. Finally, we demonstrate direct interactions between Vangl2 and the SD protein, MAGI-2. This suggests that the PCP pathway may be directly linked to organization of the SD as well as to regulation of podocyte cytoskeleton. Our observations indicate that PCP signaling may play an important role both in podocyte development and FP cytoskeleton dynamics.

The planar cell polarity (PCP) pathway controls multiple cellular processes during vertebrate development. Recently the PCP pathway was implicated in ciliogenesis and in ciliary function. The primary cilium is an apically projecting solitary organelle that is generated via polarized intracellular trafficking. Because it acts as a signaling nexus, defects in ciliogenesis or cilial function cause multiple congenital anomalies in vertebrates. Loss of the PCP effector Fuzzy affects PCP signaling and formation of primary cilia; however, the mechanisms underlying these processes are largely unknown. Here we report that Fuzzy localizes to the basal body and ciliary axoneme and is essential for ciliogenesis by delivering Rab8 to the basal body and primary cilium. Fuzzy appears to control subcellular localization of the core PCP protein Dishevelled, recruiting it to Rab8-positive vesicles and to the basal body and cilium. We show that loss of Fuzzy results in inhibition of PCP signaling and hyperactivation of the canonical WNT pathway. We propose a mechanism by which Fuzzy participates in ciliogenesis and affects both canonical WNT and PCP signaling.

Outre leur polarité apico-basale, certaines cellules épithéliales développent une seconde polarité, appelée Polarité Planaire Cellulaire (PCP). L'axe de la PCP est orienté perpendiculairement à l'axe de polarité apico-basale et régit l'orientation uniforme de certaines structures, comme les poils ou cils, non seulement à l'échelle de la cellule mais également au sein du tissu. L'épithélium cochléaire est l'un des meilleurs modèles d'étude de PCP chez les mammifères. En effet, les cellules neuro-épitheliales qui le composent, soutenues par des cellules de soutien, présentent à leur apex, des touffes ciliaires dont l'orientation est parfaitement coordonnée par la voie de la polarité planaire. Les deux premiers gènes impliqués dans la PCP chez les mammifères, Vangl2 et Scrib1, ont été identifiés sur la base du phénotype de la cochlée chez les mutants. L'analyse de la localisation de Vangl2 dans l'organe de Corti a également révélé une localisation asymétrique proximo-distale et transitoire de la protéine, perpendiculaire à l'axe apico-basal classique. Cette asymétrie apparaît à la jonction entre deux types cellulaires : une cellule sensorielle ciliée et une cellule de soutien. J'ai pu montrer au cours de mes travaux de thèse que cette asymétrie était majoritairement due à une accumulation de Vangl2 du côté distal des cellules de soutien, et que dans une moindre mesure, Vangl2 pouvait ségréger du côté distal des cellules ciliées. Cette localisation subcellulaire très précise et limitée dans l'espace semble être indépendante de l'expression du gène Scrib1 dans les cellules ciliées. La délétion du gène Scrib1 dans les cellules ciliées m'a toutefois permis de mettre en évidence que ce gène avait un rôle autonome dans la régulation de la PCP, et que les cellules de soutien de l'organe de Corti pouvaient jouer un rôle prépondérant dans le contrôle de la PCP. Mes travaux ont également permis de mettre en évidence que GIPC1 avait un rôle dans la régulation de la PCP et le maintien de l'intégrité des touffes ciliaires des cellules sensorielles, et que le complexe GIPC1/Myosine VI pouvait réguler l'établissement de l'asymétrie de Vangl2 dans l'organe de Corti
Several epithelia exhibit a second polarity perpendicular to the apico-basal axis, called planar polarity and that governs the orientation of structures such as stereocilia and hear. Our laboratory studies planar polarity, using mammalian cochlear sensory epithelium and we focus our studies on Vangl2, that we identified as the first mammalian planar polarity gene. Vangl2 encodes a four-transmembrane protein that contains a PDZ binding domain in its C-terminus tail. Vangl2 is asymmetrically located at the junction between mechanosensory hair cells and supporting cells, and this asymmetry appears important for planar cell polarity. I have shown in my thesis, using STED microscopy, that Vangl2 asymmetry is mainly due to an accumulation of Vangl2 to the distal side of supporting cells. I sought to dissect the molecular role of Vangl2 by analysing its trafficking within the cochlear epithelium. Deletion analysis shows that the last 12 amino acids, unlike its N-terminus tail are essential for Vangl2 endoplasmic reticulum sorting, its plasma membrane targeting and its function. Conditional mutant mice analysis show that Scrib1, which we have previously shown, interacts with Vangl2 through the PDZ binding domain of its C-terminal tail, is not the protein mediating this asymmetry. My work also highlight that GIPC1 had a role in the regulation of PCP and maintaining the integrity of hair bundles of sensory cells, and that the complex GIPC1/Myosin VI could regulate Vangl2 asymmetry in the organ of Corti

La voie de signalisation WNT/PCP, couramment associée à la polarité planaire cellulaire, joue un rôle fondamental dans la morphogenèse chez les vertébrés. Parmi les différents composants protéiques de la voie WNT/PCP, on retrouve la protéine tyrosine kinase 7 (PTK7), dont les fonctions restent encore très peu décrites. Au cours de ma thèse, j’ai montré que PTK7 interagissait avec le récepteur tyrosine kinase ROR2. Ce complexe, après fixation du ligand WNT5A, induit la migration de fibroblastes embryonnaires murins via l’activation de JNK. Au cours du développement embryonnaire du xénope, Ptk7 interagit de manière fonctionnelle avec Ror2, et contrôle l’expression de la protocadhérine Papc ainsi que la morphogénèse. De plus, en utilisant une approche de Tissue MicroArray, réalisée sur des patients atteints de cancers colorectaux, j’ai pu montrer que PTK7 était retrouvé surexprimé chez 34% des patients, et que cette surexpression était un facteur de mauvais pronostic. Dans des lignées cellulaires issues de cancers colorectaux, la suppression de PTK7 par shRNA entraine une diminution de la migration des cellules tumorales, mais n’impacte pas leur prolifération et leur résistance aux drogues anticancéreuses. Dans un modèle de xénogreffe murin, la suppression de PTK7 induit une diminution du développement tumoral et l’expression de ce dernier, dans des cellules négative pour PTK7, entraine une augmentation de l’apparition de métastases chez les animaux injectés. Ce travail apporte de nouveaux éclaircissements sur le du récepteur PTK7 dans la voie de signalisation WNT/PCP, et le définit comme potentiel biomarqueur et cible thérapeutique dans le cancer colorectal
The non-canonical WNT/planar cell polarity (WNT/PCP) pathway plays important roles in morphogenetic processes in vertebrates. Among WNT/PCP components, protein tyrosine kinase 7 (PTK7) is a tyrosine kinase receptor with poorly defined functions lacking catalytic activity. We show that PTK7 associates with receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 2 (ROR2) to form a heterodimeric complex in mammalian cells and physically and functionally interact with the non-canonical WNT5A ligand, leading to JNK activation and cell movements. In the Xenopus embryo, Ptk7 functionally interacts with Ror2 to regulate protocadherin papc expression and morphogenesis. Furthermore, we show that Ptk7 is required for papc activation induced by Wnt5a and that Wnt5a stimulates the release of the Ptk7 intracellular domain, which can translocate into the nucleus and activate papc expression. Moreover, using a Tissue MicroArray produced from CRC patients we correlated PTK7 expression with pathological features and patient outcome. PTK7 was significantly up-regulated in CRC tissue, and its overexpression was found in 34% of patients. In CRC cell lines, shRNA PTK7 reduced migration, but did not affect cell proliferation and resistance to drugs. In a xenograft mouse model, downregulation of PTK7 led to reduced tumor growth, whereas its overexpression in PTK7-negative cancer cells led to increased metastatic events. This work reveals novel molecular mechanisms of action of PTK7 in non-canonical WNT/PCP signaling that may promote cell and tissue movements and define PTK7 expression as a potential prognostic biomarker and a novel therapeutic target in CRC

Le contact anatomique et fonctionnel qui s’établit entre la terminaison axonale d’un motoneurone et une région spécialisée de la fibre musculaire striée squelettique est appelé jonction neuromusculaire (JNM). Le développement de la synapse neuromusculaire périphérique implique une communication dynamique via divers processus de signalisation réciproques entre les motoneurones et leurs cibles musculaires. Parmi les facteurs sécrétés qui orchestrent cette coordination trans-synaptique, les morphogènes Wnt constituent des signaux critiques pour la différenciation synaptique, cependant les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l’action des Wnt à la JNM des mammifères restent encore largement inconnus et controversés. Mon travail de thèse a porté sur 1) la validation du rôle critique des signalisations Wnt médiées par le récepteur muscle spécifique MuSK in vivo et 2) l’étude de la voie de signalisation Wnt de polarité cellulaire planaire (PCP) dans la mise en place et la maintenance de la JNM des mammifères. Notre équipe a récemment montré qu’un effecteur principal de cette voie PCP, nommé Van Gogh-like protein 2 (Vangl2) est enrichi à la JNM, à la fois dans les compartiments pré- et postsynaptique et que Vangl2 est capable de lier certains ligands Wnt. J’ai montré que la protéine Vangl2 musculaire joue un rôle critique dans le développement et le maintien de l’intégrité de la synapse neuromusculaire en contrôlant le niveau d’activité de la signalisation MuSK. L’ensemble de mes résultats a révélé l’existence d’une nouvelle voie de signalisation Wnt PCP dans le muscle, reposant sur l'interaction Vangl2/MuSK, impliquée dans l’assemblage et l’intégrité postsynaptique
The neuromuscular junction (JNM) is a peripheral synapse formed by the anatomic and functional contact between a motor neuron and a striated skeletal muscle fiber. NMJ development requires a dynamic communication between motor axons and their muscle targets through several reciprocal signaling. Among the limited number of secreted factors that orchestrate this trans-synaptic coordination, the Wnts diffusible cues have emerged as critical signals for synaptic differentiation, yet how Wnt signaling drives NMJ formation and maintenance remain poorly understood and controversial in mammals. In this context, the aims of my PhD project were 1) to validate the functional role of Wnt-MuSK interaction in vivo and 2) to study the Wnt Planar Cell Polarity (PCP) pathway during NMJ assembly and maintenance in mammals. Interestingly, our team showed that Van Gogh-like protein 2 (Vangl2), a core PCP component, is accumulated at developing NMJ, at both pre- and postsynaptic sites. Moreover, Vangl2 interacts with a subset of Wnt morphogens that are secreted at the NMJ suggesting that a Wnt/Vangl2-PCP signaling is involved in NMJ development. By using a set of mutant mice along with a large panel of cell biological and biochemical assays, I found that muscle Vangl2 is critical for NMJ assembly and maintenance, by controlling the level of MuSK signaling activity. Collectively, my results uncover a new Wnt/PCP signaling in the muscle, relying on Vangl2/MuSK interaction that shapes neuromuscular connectivity by regulating postsynaptic assembly and integrity

La polarité cellulaire planaire (PCP) est une voie de signalisation conservée au fil de l’évolution et qui joue un rôle crucial dans l’établissement de la polarité des cellules et tissues en régulant la dynamique du cytosquelette. De nombreuses études ont démontré l’implication de la PCP dans les mécanismes développementaux importants comme la gastrulation ou la neurulation chez les mammifères, et la mutation des gènes centraux qui composent la PCP mène à de sévères malformations de nombreux organes, et par conséquent une mort néonatale. Van Gogh-like 2 (vangl2) est un des gènes centraux de la PCP et code pour une protéine transmembranaire de la voie de la PCP, et sa mutation conduit à une absence de fermeture de la gouttière neurale et la mort à la naissance chez les mammifères, y compris l'homme. Certaines études suggèrent que Vangl2 jouerait un rôle dans le guidage axonal, mais aussi l’arborisation dendritique des neurones de l’hippocampe et le nombre des épines dendritiques.Dans ce travail, je montre que Vangl2 est enrichi dans l’hippocampe adulte de souris, et plus précisément dans le gyrus denté (DG) et le stratum lucidum du CA3. De nombreuses études suggèrent que le réseau formé par ces sous-structures sous-tend des processus cognitifs spécifiques impliqués dans l’encodage et le rappel de la mémoire : le pattern separation et le pattern completion. Le pattern separation est un processus d’encodage d’informations similaires en représentations différentes, permettant la formation de souvenirs distincts malgré les similitudes entre les évènements. Le processus de pattern completion permet, à partir de stimuli partiels, de se remémorer un souvenir dans son intégralité. De récentes études suggèrent que la maturation des nouveaux neurones issus de la neurogenèse adulte dans le DG joue un rôle critique dans le maintien d'une balance qui existerait entre ces deux processus cognitifs. Bien que les mécanismes qui sous-tendent les deux processus soient encore mal compris, la connectivité du DG et du CA3 semble essentielle.J’ai ainsi formulé et testé l'hypothèse selon laquelle l'absence d'expression de Vangl2 affecterait ces processus mnésiques. Pour ceci, j'ai généré plusieurs mutants murins n'exprimant pas le gène vangl2 dans différentes régions du cerveau, que j'ai ensuite testé dans des paradigmes comportementaux requérant l’utilisation des processus de pattern separation et de pattern completion. Mes résultats suggèrent que Vangl2 dans le DG est essentiel dans le maintien d'une balance existante entre les deux processus, en régulant la maturation des neurones du DG
Planar cell polarity (PCP) signaling is an evolutionary conserved pathway known to play a crucial role in the establishment of tissue polarity via a regulation of cytoskeleton dynamics. PCP signaling is essential during critical developmental stages, such as gastrulation or neurulation, to shape tissues and organs, and disruption of core PCP genes in mammals leads to severe malformations and neonatal death. Van Gogh-like 2 (vangl2) is one of the core PCP genes coding for a transmembrane protein, and its mutation leads to a failure of the neural tube closure in mammals, including humans. It has also been suggested that Vangl2 plays a role in axonal guidance, dendritic arborization of hippocampal neurons and dendritic spines number. I showed that Vangl2 protein is enriched in the hippocampus in the adult stage, precisely in the dentate gyrus (DG) and CA3 stratum lucidum subregions. These subregions have been proposed to sustain two cognitive processes involved in memory functions: pattern separation and pattern completion. Pattern separation allows the encoding of similar or overlapping inputs in distinct neuronal representations, allowing formation of new memory without interference of a previous similar encountered event. Pattern completion is described as the ability to guide the recall of an entire memory using partial sensory cues. Recent studies suggest a critical role for the maturation of adult-born granule neurons of the DG in the balance that may exist between pattern completion and pattern separation. Although the mechanisms of both cognitive processes are still debated, the connectivity between DG and CA3 appears to be essential. I thereby tested the hypothesis that in absence of Vangl2 in the brain, these two processes would be affected. I generated several conditional mutant mice in order to excise vangl2 gene in specific areas of the hippocampus, and tested them in behavioral paradigms requiring pattern separation or pattern completion processes. My data support my hypothesis that Vangl2 in the DG is essential for a balance between pattern separation and pattern completion, through the regulation of the maturation of DG neurons

La morphogenèse est le processus qui définit la forme d'un organisme (ou d'une partie d'un organisme) nécessaire à son bon fonctionnement. Au cours de l'embryogenèse, la morphogenèse d'un organe nécessite des processus incluant la division cellulaire, les mouvements cellulaires et la différenciation cellulaire. Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont ces différents processus sont coordonnés au cours de la morphogenèse d'un organe. Au cours de ma thèse, j'ai étudié deux voies de signalisation cellulaire différentes qui régulent la morphogenèse au cours de l'embryogenèse du poisson zèbre. Mon étude a révélé que la voie de signalisation Notch et la voie PCP (Polarité Cellulaire Planaire) contrôlée par Mib1 régulent respectivement la morphogenèse du tube neural et l'extension de l'axe embryonnaire.Au cours de la première partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle de la signalisation de Notch dans la morphogenèse du tube neural du poisson zèbre. La signalisation Notch a déjà été bien étudiée pour son rôle dans la régulation de la neurogenèse lors du développement du poisson zèbre. Cependant, on ne sait pas si et comment la signalisation Notch régule la morphogenèse du tube neural du poisson zèbre. L'épithélialisation et la c-division sont des événements importants au cours de la morphogenèse du tube neural du poisson zèbre. Nos résultats montrent que, en plus de synchroniser la spécification des cellules neuronales, la suppression de la neurogenèse induite par Notch est essentielle pour l’acquisition de l’architecture neuroépithéliale et pour la réalisation de c-division. Ainsi, la signalisation Notch permet de former la moelle épinière de poisson zèbre.Les observations de la première partie de ma thèse ont conduit à l'identification du rôle de Mindbomb1 (Mib1) dans la signalisation PCP. Mib1, une ligase ubiquitine-E3 nécessaire à l'activation de Notch, régule les mouvements d'extension convergence (CE) nécessaires à l'élongation de l'axe de l'embryon au cours de la gastrulation du poisson zèbre. De manière intéressante, nous avons montré que Mib1, indépendamment de sa fonction dans la signalisation Notch, agit dans la voie PCP pour réguler l’extension de l’axe de l’embryon. Dans la voie de la PCP, Mib1 agit comme une ligase ubiquitine-E3 et régule l'endocytose du composant de la PCP Ryk afin d'assurer la médiation de la CE lors de la gastrulation. Ainsi, notre étude a révélé que, indépendamment de son rôle dans la signalisation Delta / Notch, Mib1 est important pour la voie PCP lors de la gastrulation du poisson zèbre
During my PhD, I studied two different cell signaling pathways that regulate morphogenesis during zebrafish development. I found that the Notch signaling pathway and Mib1 mediated Planar Cell Polarity (PCP) pathway regulate neural tube morphogenesis and embryonic axis extension respectively.During the first part of my PhD, I addressed the role of Notch signaling in zebrafish neural tube morphogenesis. Notch signaling has been well studied for its role in regulating neurogenesis during zebrafish development. However, whether and how it regulates morphogenesis of the zebrafish neural tube is unknown. Epithelialization and c-division are important events during zebrafish neural tube morphogenesis. Our findings show that, in addition to regulating the timing and identity of neuronal cell fate specification, Notch mediated suppression of neurogenesis is essential for the acquisition of polarized neuroepithelial tissue architecture and the execution specific morphogenetic movements called c-divisions, in order to properly shape the zebrafish spinal cord. Observations from the first part of my PhD led to the identification of the role of Mindbomb1(Mib1) in PCP signaling. Mib1, an E3-ubiquitin ligase required for Notch activation, regulates convergent extension (CE) movements during zebrafish gastrulation, that are required for the axis elongation of the embryo. Interestingly, I found that Mib1, independent of its function in Notch signaling, act in the PCP pathway to regulate axis extension. In the PCP pathway, Mib1 acts as an E3-ubiquitin ligase and regulates endocytosis of the PCP component Ryk to mediate CE during gastrulation. Thus, my study discovered that independent of its role in Delta/Notch signaling, Mib1 is important for the PCP pathway during zebrafish gastrulation

L’asymétrie Droite-Gauche (DG) est responsable de l’empaquetage et l’enroulement stéréotypé des organes internes au cours du développement. Chez la Drosophile, l’intestin postérieur adulte (AHG) se développe asymétriquement selon l’axe DG en formant une boucle dextrale. Comme pour tous les organes asymétriques DG de la Drosophile, la mise en place de l’axe DG nécessite l’expression de la myosine non conventionnelle de type I : MyoID. Cette myosine se lie à la DE-Cadherine au niveau des jonctions adhérentes (AJ) pour mettre en place l’axe DG, mais le mécanisme moléculaire qui transforme la chiralité de MyoID en une morphogenèse asymétrique DG est totalement inconnu. Le AHG est un long tube situé au milieu de l’abdomen, qui présente une boucle dextrale dans sa partie proximale. Il se développe à partir d’un groupe de progéniteurs formés de deux populations de cellules : H1 et H2. Dans cette étude, nous avons mis en évidence que MyoID contrôle la formation de la boucle dextrale du AHG grâce à son interaction avec la cadhérine atypique Dachsous dans les cellules H1. De plus, nous avons pu mettre en évidence que la signalisation Dachsous-Fat est activée à travers les cellules H2 entrainant leur polarisation du coté droit, et ainsi formant l’enroulement du AHG. Les cellules H1 sont transitoires, elles disparaissent lors des premières heures de la métamorphose. Cependant, l’information dextrale générée dans les cellules H1 perdure dans les cellules H2 grâce à l’action coordonnée des composants de la polarité planaire. Nous montrons que la polarité planaire contrôle l’établissement de l’asymétrie DG en aval de MyoID, en transmettant l’information DG dans le AHG
Stereotyped left right (LR) asymmetry ensures proper looping of internal organs. In Drosophila, the adult hindgut (AHG) has a clear stereotypical dextral loop and, like all LR asymmetric organs, require MyoID for correct orientation. MyoID is an unconventional myosin type I that binds to DE-Cadherin, this association is required for proper LR establishment; however the mechanism that translates MyoID chirality into proper morphogenesis remains unknown. The AHG is a long tube coiled dextrally and located in the middle of the abdominal region. It develops from a cluster of progenitors containing two different populations of cells, H1 and H2. Here, we show that MyoID controls the AHG dextral loop by binding to the atypical cadherin Dachsous in H1 cells. Further, Ds-Fat signaling propagates towards the H2 cells which in turn become polarized towards the right and consequently loop. H1 is a transient population of cells that wear off in the first hours of metamorphosis; nevertheless the dextral information generated in H1 is maintained in H2 cells due to the cooperative action of PCP components. We demonstrate that the molecular basis of the LR establishment downstream of MyoID action lies in the PCP system, which has a double role transmitting and maintaining a dextral signal in the AHG. Thus, we provide for the first time a link in L/R morphogenesis between Drosophila and vertebrates in which PCP mutants result in L/R defects. Furthermore, in our attempts to better understand the evolution of L/R morphogenesis we found the recently co-Appearance of a myoID cis-Regulatory element and the AHG dextral loop, during Drosophila evolution, suggesting that changes in myoID express

Durant une division asymétrique (ACD), cycle et polarité cellulaires se coordonnent pour servir la diversité cellulaire. Dans le cas d’une ACD au sein d‘un épithélium, la Polarité Cellulaire Planaire, menée par Frizzled (Fz) et Dishevelled (Dsh), oriente la cellule mère et le fuseau mitotique et induit une polarité qui va permettre l’alignement et la répartition des déterminants cellulaires entre les cellules filles. Dans ce contexte, mon sujet de thèse vise à étudier les liens entre cycle et polarité dans le modèle du lignage des soies de la drosophile, où depuis l’ACD de la cellule précurseur pI, quatre destins cellulaires distincts émergent. À chaque division, la voie Notch est différentiellement activée et la PCP régule les orientations stéréotypées des divisions dans le plan de l’épithélium. Au sein de la division de la cellule pI, j’ai pu mettre en exergue que l’un des acteurs majeurs du cycle cellulaire, la Cycline A faisait ce lien. En effet, j’ai observé qu’une portion de Cycline A se localisait asymétriquement au cortex apical postérieur de pI en prophase. Cette portion de Cycline A est dégradée en même temps que la potion cytoplasmique. Ensuite j’ai montré que Cycline A colocalisait avec les facteurs de la PCP, Fz et Dsh, que ceux-ci lui servaient d’ancre au cortex : la perte de fonction dsh ou fz empêche le recrutement de Cycline A au cortex et la délocalisation forcée de Frizzled entraine aussi celle de Cycline A. Aussi, Cycline A influence sur l’orientation du fuseau mitotique comme Frizzled et Dsh par la perte de fonction cycline A ou l’expression d’une Cycline A ectopique au cortex. Ceci suggère que Cycline A fait partie du complexe formé par Fz et Dsh régulant l’orientation du fuseau. Ce rôle dans l’orientation de la division a été montré par un le recrutement au cortex apical postérieur de la protéine Mud (NuMA/LIN-5). Ce travail de thèse ouvre la porte sur les rôles encore peu connus des facteurs de cycle dans d’autres processus biologiques
During an asymmetric cell division (ACD), the cell cycle and cell proliferation are coordinated to serve cell fate diversity. In the case of an ACD occurring in epithelia, the Planar Cell Polarity, lead by Frizzled (Fz) and Dishevelled (Dsh) orients the mother cell and the mitotic spindle to induce a polarity upon which the cell fate determinants are asymmetrically divided between the daughter cells. In this context, my thesis subject relies on the study of the links between cell cycle and cell polarity in the model of the lineage of mecanosensory organs of Drosophila, from which four distinct cell fates rise. At each division, the Notch pathway is asymmetrically activated and the PCP regulates the stereotyped orientations of the divisions along the epithelial plan. During the ACD of the pI cell, I have shown that one of these links was the major actor the cell cycle Cyclin A. Indeed, I have shown that a pool of Cyclin A localises asymmetrically the apical posterior cortex of the pi cell during prophase. This portion of Cyclin A is degraded at the same time of the cytoplasmic pool. Then, I have shown that Cyclin A co-localised with the PCP factor Fz and Dsh, as they anchors CycA to the cortex: a fz or dsh loss of function (LOF) abolishes the cortical recruitment of Cyclin A and the delocalisation of Frizzled drags Cyclin A. More importantly, I have shown that Cyclin A also regulates the orientation of the division as PCP factors, as its LOF or ectopic cortical localisation deviated the orientation. Altogether this data suggest that Cyclin A is part of complex regulating the spindle orientation formed by Fz and Dsh. In order to do so, Cyclin A is required for the apical posterior recruitment of the Mud protein (NuMA/LIN-5). This work opens the door on the roles, poorly described, of the cells cycle factors in other biological processes

La morphogenèse est un processus qui nécessite une régulation à plusieurs niveaux à la fois physique et génétique. Les perturbations de ce programme dans le contexte du cœur ont souvent des conséquences importantes sur l'organe, comme le prouve l’incidence de 1% des cardiopathies congénitales à la naissance. Les cardiopathies congénitales telles que les cardiomyopathies, affectent l’architecture du muscle cardiaque essentielle à sa fonction contractile. Les parois ventriculaires sont particulièrement importantes, à la fois pour définir la taille des lumières ventriculaires et pour établir une architecture de myofibre orientée, renforçant l’efficacité de la contraction. Des travaux antérieurs dans le laboratoire ont permis de mettre en évidence l’émergence de l’orientation du myocarde. L'analyse clonale a révélé que la croissance tissulaire orientée corrélait avec l'expansion des ventricules (Sigolène M. Meilhac et al., 2004) et préfigurait l’architecture des myofibres du cœur nouveau-né (Meilhac et al., 2003). L'analyse de l’architecture cellulaire a révélé une coordination locale des divisions cellulaires indiquant une orientation des divisions cellulaires (Le Garrec et al., 2013). Ces études suggèrent que la division cellulaire orientée joue un rôle important dans la formation du cœur. Cependant, les mécanismes par lesquels cela est régulé doivent encore être identifiés dans les ventricules embryonnaires. Dans ce projet, nous utilisons une combinaison d'approches transcriptomique, segmentation cellulaire 3D, traitements chimiques en culture d'embryons et interférence moléculaire pour, étudier un mécanisme de division cellulaire orientée. Par séquençage ARN des ventricules, nous avons identifié l’expression de composants de l’appareil NuMA: GPSM, de la voie de la polarité cellulaire planaire et de la voie de mécano-détection des intégrines, qui sont des voies candidates pour réguler l’orientation de la division cellulaire. En parallèle, nous avons voulu déterminer si les cellules des ventricules en expansion se comportaient conformément à la règle de Hertwig. Pour ce faire, nous avons mis en place une méthode d’imagerie de l’architecture cellulaire dans le cœur entier par transparisation CUBIC et microscopie tridimensionnelle à feuille de lumière. Nous avons également amorcé le développement d’une méthode automatique de segmentation pour quantifier les axes de division cellulaire dans les ventricules. En comparant l’axe d'élongation des cellules aux axes de division les outils et les approches décrite ci-dessus permettront de conclure s'il existe une coordination entre les deux. Pour analyser l'importance des contractions cardiaques sur la croissance orientée des ventricules, nous avons établi des conditions de culture d'embryons traités avec des perturbateurs pharmaceutiques de la contraction cardiaque. Les résultats préliminaires indiquent qu'une augmentation et une diminution du taux de contraction affectent la forme du cœur. Enfin, nous avons conçu des vecteurs pour cibler les trois voies mentionnées ci-dessus avec des protéines dominant négatives. Les résultats de cette recherche pourraient avoir des applications en ingénierie tissulaire pour la réparation du cœur
The development of the heart is an intricate process both physically and genetically which requires regulation on many levels. Perturbations of this cardiogenic programme often has potent consequence on the organ and this is evident from the 1% incidence in births which are affected by a congenital heart disease (CHD). CHDs, such as cardiomyopathies, affect the architecture of the cardiac muscle, which is vital to the heartsfunction. The shape of the ventricular walls is particularly important to their function in terms of both defining the shape of the ventricular chambers and in establishing an appropriate myofiber architecture for efficient contractions (Meilhac et al., 2003). Previous work in the lab has provided insight into how this is achieved in the ventricles. It was found, through clonal analysis, that oriented tissue growth underlies cardiac chamber expansion (Meilhac et al., 2004). Analysis of earlier stages of the embryonic heart found regional coordination of cell divisions which preconfigured the myofiber architecture of the adult heart (Le Garrec et al., 2013). These studies suggest that oriented cell division plays an important role in sculpting the heart. However a mechanism by which this is regulated has yet to be established in the expanding ventricular chambers. In this project we use a combination of transcriptomic analysis, 3D cell segmentation, embryo culture experiments and molecular interference to investigate a mechanism for oriented cell division. Using bulk RNAseq we identified the NuMA:GPSM apparatus, the Planar Cell Polarity pathway and the integrin mechano-sensing pathway as candidates for further analysis. In combination with the transcriptomic analysis we wanted to identify if cells in the expanding ventricles were behaving according to Hertwig’s rule. To do this we have established CUBIC clearing and three dimensional lightsheet microscopy along with an automatic cell segmentation method to quantify cell elongations in the cardiac chambers. By comparing the elongation ratio of the cell to the detected axes of division the tools and approaches described above will enable us to identify if coordination existed between the two and if this was regionally specific. To analyse the impact of cardiac contractions on oriented cell division we established embryo culture experiment conditions paired with pharmaceutical interference of contractions. Preliminary results indicate that both an increase and decrease of contraction rate affects the shape of the heart. Finally, we will target the three pathways mentioned above with dominant negative proteins in chimeric hearts to dissect the molecular pathways. The outcome of this research will have potential applications in tissue engineering therapies targeting the heart

La Polarité Cellulaire Planaire (PCP) est une voie de signalisation originellement identifiée chez les invertébrés pour son rôle dans l’établissement d’une asymétrie cellulaire perpendiculaire à l’axe apico‐basal. Elle définit une polarité dans le plan d’un épithélium et coordonne cette polarité dans tout l'épithélium. L'activation de la voie PCP conduit à une réorganisation ducyto squelette en passant par une modulation des zones d'adhésion, régulant ainsi la forme et les mouvements des cellules. La voie de signalisation de la PCP est conservée tout au long de l'évolution jusqu'au mammifères, et contrôle la morphogénèse de divers tissus dont les tissus épithéliaux et mésenchymateux, ainsi que pour les tissues cardiaques, osseux, pulmonaire ou encore rénaux, mais aussi le système nerveux pour n'en citer que quelques‐uns.Afin d'identifier le rôle de vangl2, un des gènes centraux de la PCP, dans la mise en place de la circuiterie hippocampale, nous avons créé un modèle murin où vangl2 est supprimé de façon conditionnelle (cKO) dans le télencéphale à des stades précoces de l’embryogénèse. J’ai d'abord montré que Vangl2 est enrichi dans les neurones immatures de la zone sous granulaire du DG, ainsi que dans l’arborisation des neurites (axones et dendrites) des cellules granulaires (CG) du gyrus denté (DG) de l’hippocampe. Ainsi, Vangl2 est enrichi dans le stratum lucidum (sl), une région dense en contacts synaptiques entre le DG et le CA3. Dans cette région a lieu une synapse très particulière entre l'axone des CG, la fibre moussue (Mf) qui forme des boutons géants (MfB) et les excroissances épineuse (TE) issues de la partie proximale des dendrites apicaux. L'analyse structurale et ultra structurale de ces épines démontre que l'élargissement et la complexification de la synapse MfB/TE est bloquée dans nos mutants, alors que les zones actives (PSD) des épines sont présentes, mais réorganisées. De façon intéressante,dans une zone plus distale des dendrites des neurones du CA3 (sl), les épines sont, elles, plus grosses, suggérant un remodelage complexe du réseau en l'absence de vangl2. Enfin, j’ai pu montrer que ces défauts morphologiques étaient corrélés à des problèmes de mémoire complexe (mémoire déclarative) qui dépendent de l’hippocampe mais aussi du cortex. Cette étude montre pour la première fois l’importance du signal PCP dans maturation in vivo d’un circuit hippocampique spécifique ainsi que ces conséquences cognitives. D'autres résultats in vitro montrent que la suppression de vangl2 augmente la vitesse de déplacement des cônes de croissance sur des substrats de N‐cadhérine. J’ai utilisé la microscopie en super résolution spt‐PALM‐TIRF pour montrer que cette augmentation de croissance est inversement proportionnelle à la vitesse du flux rétrograde d’actine. Des expériences de FRAP permettent de suggérer que les molécules de N‐cadhérine engagées dans des interactions hémophiliques (adhésion) est plus importante dans les mutants vangl2 Je propose que Vangl2 contrôle le recyclage et la stabilité des protéines N‐cadhérine dans les sites d’adhésion afin de réguler localement les dynamiques d’actine et par conséquent la croissance neuronale
Planar Cell Polarity (PCP) is a signaling pathway originally known for its role in the establishment of cellular asymmetry perpendicular to the apico‐basal axis, in the plane of an epithelium. PCPsignaling has been shown to be crucial for many tissue patterning, including epithelial and mesenchymal tissue, but also cardiac, lung, bone, or kidney tissues, to cite a few. PCP signaling controls the regulation of cellular movement via the control of adhesion turnover and cytoskeleton reorganization. Vangl2 is one of the most upstream core PCP proteins that has been implicated in the recent years in various neuronal mechanisms, such as axonal guidance, dendrite morphogenesis or synaptogenesis. However, most of these studies rely on acute downregulation of the gene in vitro or in the use of a mouse presenting a spontaneous mutation of this gene, called Loop‐tail (Vangl2Lp) which causes the death of the embryo at birth. Moreover, the Vangl2Lp form of this protein has been described has a dominant‐negative form, making it difficult to untangle the molecular mechanism leading to the many phenotypes (included neuronal ones) reported inhomozygotes Looptail mice. To bypass this problem we created a conditional knockout (cKO) mouse in which vangl2 is deleted in the telencephalon during early embryogenesis. First, I analyzed the profile of expression of the protein during the first 3 weeks after birth, and I show that Vangl2 is specifically targeted to the arborization of granular cells (GC) of the dentate gyrus (DG) of the hippocampus, and excluded from cell bodies. Also, the protein was highly enriched in immature neurons of the subgranular zone of the DG, and in the stratum lucidum, a region of high‐density contacts between the GC and the CA3. In this region, a special type of synapse is formed: the Mossy Fiber Bouton (MfB) / Thorny Excrescence (TE) synapse. These synapses are bigger and more complex than conventional synapses. I then performed a structural and ultrastructural analysis of the DG/CA3 circuit in the Vangl2 cKO mice in order to understand the role of Vangl2 in the hippocampus maturation. For this, I used stereotaxic mice infection viruses, and Serial block face scanning electron microscopy (SBFsEM) with 3D reconstruction. Results show that in cKO mice, Mfs fasciculation is mildly impacted, and that the enlargement and complexification of the MfB/TE synapse is arrested, with TEs almost absent. I was able to link these morphological abnormalities to deficits in complex hippocampal‐dependent learning tasks. This work demonstrates for the first time the importance of PCP signaling for the in vivo maturation of a specific hippocampal circuit and its specific cognitive consequences. Next, I attempted to identify the functional consequences of vangl2 deletion on young hippocampal neuron maturation. My results confirm that Vangl2 is expressed in young hippocampal neurons and that the deletion of the gene affected neurite outgrowth on Ncadherin substrate. I used spt‐PALM‐TIRF super‐resolution microscopy to show that this increased neurite outgrowth was inversely proportional to a decrease in actin retrograde flowand to a decrease in the number of directed actin trajectories. These results strongly suggest that N‐cadherin adhesions are affected by Vangl2 deletion. FRAP experiments demonstratedthat in Vangl2 cKO neurons the recovery of N‐cadherin molecules engaged in homophilicbindings (adhesion) was decreased, suggesting that the turnover of N‐cadherin involved inadhesion is reduced. Altogether, I propose that Vangl2 controls the turnover/stability of Ncadherin proteins at adhesion sites to regulate local actin dynamics and consequently neuronal outgrowth