Régulation par la phosphorylation d’un module Rho GTPase dans la levure Saccharomyces cerevisiae

Regulation of a Rho GTPase module by phosphorylation in Saccharomyces cerevisiae

• Auteur / Autrice : Romain Mitteau
• Direction : Derek McCusker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, technologie, santé. Génétique
• Date : Soutenance le 06/12/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Cullin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Derek McCusker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Arkowitz, Marie-Hélène Cuif

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle cellulaire

Polarité (biologie)

GTPases

Saccharomyces cerevisiae

Mots clés libres

Polarité cellulaire

Cycle cellulaire

Kinase

GTPase

Cell polarity

Cell cycle

Kinase

GTPase

Résumé

Le cycle cellulaire eucaryote est caractérisé par des changements abrupts et dynamiques de la polarité cellulaire lorsque les chromosomes sont dupliqués et ségrégés. Ces évènements nécessitent une coordination entre la machinerie du cycle cellulaire et les régulateurs de la polarité. Les mécanismes qui contrôlent cette coordination ne sont pas totalement compris. Dans la levure S. cerevisiae, comme dans d’autres organismes eucaryotes, la GTPase Cdc42 joue un rôle important dans la régulation de la polarité cellulaire. En effet ses régulateurs constituent un module GTPase qui subit une phosphorylation dynamique, au cours du cycle cellulaire, par des kinases évolutivement conservées dont la Cycline-Dependent Kinase 1 (Cdk1) et la p21-Activated Kinase (PAK). Ces kinases et substrats pourraient relier la polarité et la progression dans le cycle cellulaire. En utilisant une approche in vitro, nous avons reconstitué la phospho-régulation du Guanine nucléotide Exchange Factor (GEF) de Cdc42, la protéine Cdc24. Nous avons identifié un possible mécanisme de régulation de la phosphorylation impliquant une protéine d’échafaudage qui augmente la phosphorylation de Cdc24 par la PAK et Cdk1. Cette phosphorylation accroit modérément l’affinité de Cdc24 pour cette même protéine d’échafaudage, Bem1. De plus, en testant les effets d’autres composants du module GTPase sur la phosphorylation de Cdc24, nous avons identifié un effet antagoniste pour une GTPase Activating Protein (GAP), Rga2. Cette protéine est présente dans le même complexe que Cdc24 et Bem1, les membres de ce complexe sont tous phosphorylés par Cdk1. Des mutants rga2 suggèrent que la phosphorylation que subie Rga2 inhibe son activité GAP. Nous proposons un modèle provisoire pour expliquer la présence de Rga2 dans ce complexe et l’inhibition qu’elle oppose à la phosphorylation de Cdc24. La présence de la protéine GAP dans le complexe pourrait être un mécanisme de contrôle de la phosphorylation de Cdc24 dans le but de déstabiliser son intéraction avec la protéine Bem1 en cas de mauvaise localisation du complexe. Par ailleurs, la PAK est activée par l’activité de Cdc42, nos résultats sont consistants avec un modèle dans lequel des signaux du cycle cellulaire engendreraient une auto-amplification de l’activation du module GTPase. Chez S. pombe, la croissance polarisée nécessite un gradient d’activation de Cdc42 dû à une ségrégation de GEF et de GAP. Dans ces travaux nous montrons que toutes les protéines GAPs de Cdc42 localisent aux sites de croissance au cours du cycle cellulaire. Ces localisations sont consistantes avec le besoin de cyclage de Cdc42 pour maintenir sa polarisation. Ces résultats suggèrent que la localisation des protéines GAP régulant Cdc42 chez S. cerevisiae semble différente de ce qui est connu chez S. pombe.

The eukaryotic cell cycle is characterized by abrupt and dynamic changes in cellular polarity as chromosomes are duplicated and segregated. Those dramatic cellular events require coordination between the cell cycle machinery and polarity regulators. The mechanisms underlying this coordination are not well understood. In the yeast S. cerevisiae, as in other eukaryotes, the GTPase Cdc42 plays an important role in the regulation of cell polarity. Cdc42 regulators constitute a GTPase module that undergoes dynamic phosphorylation during the cell cycle by conserved kinases including Cyclin-Dependent Kinase 1 (Cdk1) and p21-activated kinase (PAK). These kinases and substrates may link cell polarity to the cell cycle progression. Using in vitro approaches, we have reconstituted the phospho-regulation of the Cdc42 Guanine Nucleotide Exchange Factor (GEF), Cdc24. We have identified a possible mechanism of Cdc24 regulation involving a scaffold-dependent increase in Cdc24 phosphorylation by Pak and Cdk1. This phosphorylation moderately increases the affinity of Cdc24 for another GTPase module component, the scaffold Bem1. Moreover, by testing the effect of other GTPase module components on the phosphorylation of Cdc24, and thus on its interaction with the scaffold, we identified an antagonistic function for the GTPase Activating Protein (GAP) Rga2. Our in vivo data of rga2 mutants suggest that Rga2 phosphorylation by Cdk1 inhibits its GAP activity. We propose a tentative model to explain the inhibition of Cla4 by Rga2 and its presence in a complex containing Cdc24 and Bem1. The presence of the GAP protein in the complex may be a mechanism that reduces Cdc24 phosphorylation in case of a mistargetting of the complex in order to downregulate the GEF/Scaffold dimer. Since the PAK component of the GTPase module is itself activated by Cdc42 activity, our results are consistent with a model in which inputs from the cell cycle lead to auto-amplification of the Cdc42 GTPase module. In S. pombe, polarised growth requires a gradient of activation of Cdc42 due to GEF and GAP segregation. Here we show that all Cdc42 GAPs localise to the polarised site during the cell cycle. Those localisations are consistent with a requirement of Cdc42 cycling to maintain a polarity cap. Our results may suggest that Cdc42 GAPs localisations in S. cerevisiae are different from current knowledge in S. pombe.