La régulation de transport neuronale par la polyglutamylation des microtubules

par Satish Bodakuntla

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Carsten Janke.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne) , en partenariat avec Stress génotoxiques et Cancer (laboratoire) , Regulation of microtubule dynamics and function (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) depuis le 09-11-2015 .


  • Résumé

    Le transport intracellulaire est un des mécanismes clef pour les cellules. En raison de leur compartimentalisation et leur grande taille, toutes les cellules eucaryotes doivent activement transporter des cargos à des sites spécifiques. Le système le plus complexe de transport intracellulaire existe dans les neurones, qui, avec leurs longs axones et leurs arbres dendritiques complexes nécessitent un réseau de transport particulièrement efficace et bien coordonné. Tout transport intracellulaire est réalisé sur les microtubules. Les cargos sont transportés par les moteurs moléculaires spécifiques, tels que les kinésines ou la dynéine. Une question encore mal comprise est comment les moteurs savent où aller? Il est déjà connu que les propriétés intrinsèques des moteurs moléculaires - certains se déplacent vers les extrémités plus, d'autres vers les extrémités moins des microtubules - participent à la redistribution des cargos dans les cellules. Néanmoins, pour une régulation plus précise du transport, des mécanismes de régulation bien plus complexes seront nécessaires. Un de ces mécanismes pourrait être le 'tubulin code', un système de signalisation complexe avec le potentiel de créer des "identités du trajet". Les microtubules ainsi marqués, pourraient ensuite guider plus finement les différents cargos transportés à des différentes destinations. Parmi une multitude des modifications post-traductionnelles des microtubules connues, la polyglutamylation est fortement enrichi dans les neurones différenciés, et pourrait donc être impliquée dans la régulation du transport axonal. Le laboratoire d'accueil a déjà démontré que la dérégulation de cette modification post-traductionnelle conduit à la neurodégénérescence sévère, par contre, les mécanismes moléculaires de cette dégénérescence restent inconnus. Le but de mon projet de thèse est d'étudier le rôle de la polyglutamylation dans la régulation du transport axonal. Je vais combiner des approches de la culture primaire de neurones, la micro-fabrication, de l'imagerie et les modèles murins pour développer des techniques appropriées pour la quantification de l'effet de polyglutamylation sur le trafic neuronal. Mon projet comporte trois tâches principales. En premier, j'étudierai les effets d'une modulation de la polyglutamylation sur la morphologie neuronale, leur polarité et leur différenciation. Deuxièmement, je développerai des dispositifs spécifiques basés sur la microfluidique et le micro-pattern pour faire croître des neurones dans un environnement contraint et contrôlé, ce qui va permettre une meilleure quantification du transport axonal. J'utiliserai différents marqueurs pour visualiser le transport axonal, tels que des protéines vésiculaires marquées, pour déterminer les paramètres de transport axonal tels que la vitesse, la directionnalité, et la continuité du transport. Troisièmement, j'étudierai la dynamique du transport in vivo dans différentes lignées knockout de souris. Ces lignées manquent des polyglutamylases ou des deglutamylases, et montrent un taux de polyglutamylation varié in vivo. Les principes biologiques étudiés dans mon projet vont dans le futur permettre d'étudier le rôle des modifications post-traductionnelles des microtubules dans d'autres systèmes cellulaires, et d'élucider leur rôle potentiel dans des maladies complexes telles que la neurodégénérescence et le cancer.

  • Titre traduit

    Regulation of neuronal microtubule-based transport by polyglutamylation


  • Résumé

    Intracellular transport is a basic cellular mechanism. Due to their compartmentalization and size, every eukaryotic cell needs to transport intracellular cargoes to specific sites. T he probably most complex intracellular transport system exists in neurons, which due to their long axons and the complex morphology of the dendritic trees require a particularly efficient and well-coordinated transport network. Intracellular transport uses microtubules as tracks. Cargoes are attached to specific molecular motors, such as kinesins or dynein, and are then transported to their specific destination. But how do the motors know where to go? One part of the answer are the intrinsic properties of the motors - some move plus-end directed, others minus-end directed on microtubules. For a more precise regulation of their intracellular destinations, however, complex regulatory mechanisms are needed. One of them could be the tubulin code, a complex signaling system with the potential to create specific 'road marks' on microtubules, which could guide the transport complexes. Out of various posttranslational modifications of microtubules, polyglutamylation is highly enriched in differentiated neurons, and is a strong candidate for regulation of axonal transport. Remarkably, the host laboratory has demonstrated that deregulation of this posttranslational modification leads to severe neurodegeneration, however the molecular mechanisms of this degeneration have remained unknown. T he goal of my PhD project is to investigate the impact of polyglutamylation on axonal transport. For this, neuronal cell culture, micro-fabrication, imaging and mouse biology will be combined to develop appropriate techniques to quantify the impact of differential polyglutamylation of microtubule tracks on neuronal traffic. My project will be sub-divided into three main tasks. First, I will study the effect of altered polyglutamylation on the neuronal morphology, polarity and differentiation. Second, I will develop specific microfluidics and micropattern devices to grow neurons in defined shapes for a better quantification of axonal transport. I will use different reporters for axonal transport, such as tagged vesicle markers, and investigate various parameters of axonal transport such as speed of transport, directionality of transport, pauses in the transport, endurance, etc. T hird, I will investigate the dynamics of transport in vivo using different knockout mouse lines for polyglutamylase and deglutamylase enzymes. T he paradigms studied in this project will in the future allow to study the role of microtubule modifications in other cellular systems, and to elucidate their potential roles in complex diseases such as neurodegeneration and cancer.