Croissance invasive chez un champignon pathogène de l’Homme : forces mécaniques et réorganisation cellulaire

Invasive growth in a human fungal pathogen : mechanical forces and cellular reorganization

• Auteur / Autrice : Charles Puerner
• Direction : Robert Arkowitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie Valrose
• Jury : Président / Présidente : Martine Bassilana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Bassilana, Judith Berman, James Kronstad, Aaron Mitchell, Agnese Seminara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Judith Berman, James Kronstad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarité (biologie)

Morphologie (biologie)

Candida albicans

Mots clés libres

Candida albicans

Croissance invasive

Forces mécaniques

Morphologie

Polarité cellulaire

Spitzenkörper

Cdc42

Candida albicans

Invasive growth

Mechanical forces

Morphology

Cell polarity

Spitzenkörper

Cdc42

Résumé

Candida albicans est un champignon pathogène de l’Homme qui provoque des infections potentiellement mortelles chez les patients immunodéprimés. J'ai étudié la croissance filamenteuse invasive de C. albicans, en collaboration avec des physiciens, - en particulier les forces mécaniques lors de ce processus -, et quantifié les effets de ces forces sur la morphologie cellulaire. En outre, j'ai examiné la fonction d'un cluster de vésicules à l’apex du filament, appelé Spitzenkörper, dans la régulation de la croissance et de la morphologie cellulaire. Les forces physiques générées par la croissance filamenteuse de C. albicans sont critiques pour pénétrer les tissus de l'hôte et pour échapper aux cellules immunitaires. Nous avons utilisé le polymère polydiméthylsiloxane (PDMS) pour générer des micro-chambres de rigidité différente, similaire à celle des tissus de l’hôte. J'ai examiné la croissance filamenteuse de C. albicans dans ces chambres confinées, afin de déterminer les propriétés biophysiques de la croissance invasive. En utilisant la microscopie en temps réel, j'ai montré que le pourcentage de filaments invasifs diminuait avec une augmentation de la rigidité du PDMS, et déterminé un seuil de rigidité pour lequel les filaments sont incapables d'envahir - probablement la « growth-stalling force ». Pendant la croissance invasive, la vitesse d'extension du filament est réduite, par rapport à une croissance en surface non invasive, en fonction de la rigidité du PDMS. De plus, au cours de ce processus, j'ai observé un changement de morphologie cellulaire, avec une augmentation significative du diamètre et une diminution concomitante de la longueur du compartiment cellulaire, résultant en un volume similaire à celui des cellules en croissance non invasive. Ce changement de morphologie est associé à une augmentation dramatique du taux de Cdc42 activé, régulateur clé de la polarité, à l'apex du filament et à une dépolarisation de Rho1 activé, régulateur de la glucan-synthase. Ces résultats indiquent que les changements de morphologie cellulaire pendant la croissance invasive ne sont pas dus à la dépolarisation ou à la déstabilisation de Cdc42 activé. Au contraire, des analyses complémentaires suggèrent que des forces mécaniques, en particulier la compression, sont largement responsables de ces changements morphologiques.Le Spitzenkörper, cluster de vésicules situé à l’apex du filament, est observé chez une variété de champignons filamenteux. Chez C. albicans, des études de microscopie électronique ont révélé que le Spitzenkörper est composé d'une population uniforme de vésicules, mais la fonction de cette structure pendant la croissance filamenteuse est peu connue. J'ai montré que ce Spitzenkörper est entièrement composé de vésicules de sécrétion et étudié sa fonction en utilisant des mutants et des approches d'interactions forcées. Perturber cette structure entraîne une modification de la morphologie du filament et de la vitesse de croissance; l’augmentation du diamètre du filament est associée à une augmentation concomitante de la vitesse de croissance. En outre, la délétion d'un des composants du Spitzenkörper réduit considérablement la croissance invasive. Dans l’ensemble, ces résultats indiquent que cette structure régule la région d'insertion de nouveau matériel membranaire, donc focalise la croissance, et suggèrent qu'une augmentation du flux de vésicules de sécrétion compense pour une moindre focalisation de l’ajout de matériel membranaire. Dans l’ensemble, mes études révèlent que les forces mécaniques affectent la morphologie de C. albicans et sa capacité d‘invasion, et que le Spitzenkörper est le lien central entre morphologie du filament d’une part et vitesse de croissance et invasion filamenteuse, d’autre part.

The dimorphic fungi Candida albicans is a major human pathogen that causes life-threatening infections for immunocompromised patients. I have investigated C. albicans invasive filamentous growth, in collaboration with physicists, in particular the mechanical forces during this process, and quantitated the effects of these forces on cell morphology. Furthermore, I have examined the function of a filament tip cluster of vesicles, known as a Spitzenkörper, in the regulation of growth and cell morphology. Physical forces generated by C. albicans filamentous growth are likely to be critical for host tissue penetration, as well as escape from host immune cells. We have used the polymer polydimethylsiloxane (PDMS) to generate microchambers with different stiffness, similar to that of host cells and tissues. I have examined C. albicans filamentous growth in these confined chambers, in order to determine the biophysical properties of growth and substrate invasion. Using time lapse microscopy, I showed that the percentage of invasive hyphae decreased with an increase in PDMS stiffness, and determined a stiffness threshold, in which hyphae are unable to invade - likely the growth-stalling force. During invasive growth, there was a striking reduction in filament extension rate, compared to surface growth, which was dependent on PDMS stiffness. Furthermore, during this process, I observed a cell morphology change, i.e. a significant increase in cell diameter and a concomitant decrease in cell compartment length, resulting in cell volumes that were largely indistinguishable from that of surface growing cells. This morphology change was associated with a striking increase in the level of active Cdc42, the master regulator of polarity, at the hyphal tip and a concomitant depolarization of active Rho1, the glucan-synthase regulator, during invasive growth. These results indicate that changes in cell morphology during invasive growth are not due to depolarization or destabilization of active Cdc42. Rather, additional analyses suggest that mechanical forces, i.e. compression, are largely responsible for these morphological changes. The Spitzenkörper, which is a cluster of vesicles located at the filament apex adjacent to the plasma membrane, has been observed in a range of filamentous fungi. In C. albicans, electron microscopy studies have revealed that the Spitzenkörper is comprised of a uniform population of vesicles, however little was known regarding the function of this structure during filamentous growth. I have shown that the C. albicans Spitzenkörper is composed entirely of secretory vesicles. I have investigated the function of the Spitzenkörper using mutants and synthetic physical interaction approaches. Perturbation of the Spitzenkörper resulted in altered filament morphology and growth rate, strikingly an increase in filament diameter and concomitant increased growth rate was observed. Furthermore, deletion of a Spitzenkörper component dramatically reduced invasive growth. Together these results indicate that the Spitzenkörper regulates the region of new plasma membrane insertion, i.e. the ability to focus growth, and suggest that an increase in the flux of secretory vesicles compensates for less focused membrane addition. In summary, my studies reveal that mechanical forces affect C. albicans morphology and substrate invasive ability, and that the Spitzenkörper is the central link between filament morphology and growth rate, as well as substrate invasion