Contrôle de la morphogenèse et signalisation chez la drosophile

Le développement d'un organisme pluricellulaire est dirigé par un programme génétique qui intègre morphogenèse et prolifération et conduit à la formation des différents organes. Il est avéré que les molécules des voies de signalisation sont des molécules clés qui contrôlent l’organisation et l’homéostasie tissulaire au cours du développement.

Il reste cependant à clarifier comment l’expression des gènes contrôlée par ces molécules de signalisation est traduite en comportement cellulaire et en processus morphogénétiques. Nous focalisons nos études sur l'une de ces molécules, Hedgehog (Hh), une protéine sécrétée et modifiée par le cholestérol.

Nous utilisons la drosophile comme système expérimental modèle vis à vis des processus analogues chez les vertébrés, moins accessibles aux études génétiques. L’un des buts de notre étude est de faire le lien entre les anomalies embryonnaires graves observées au cours du développement dans des embryons humains déficients pour la transduction du signal Hh et la prédisposition à l'apparition de cancer du cerveau et de la peau (Briscoe et Thérond, Dev. Cell 2005).

Nous utilisons des approches génétiques et biochimiques pour identifier les molécules qui modulent les réponses cellulaires à Hh, processus essentiel à l'organisation des tissus et à la compartimentation des segments embryonnaires et les disques imaginaux des larves. Nos travaux ont permis de démontrer l'importance des protéoglycanes, composant de la matrice extracellulaire, dans l'internalisation du complexe ligand-récepteur aboutissant à un niveau de signalisation Hh maximal (Gallet et al., Dev. Cell, 2008). Nous avons également identifié un complexe protéique de haut poids moléculaire qui contrôle la protéolyse et la translocation nucléaire du facteur de transcription Ci/Gli, le facteur qui traduit le signal Hh en expression génique (Robbins et al., Cell 1997; Ruel et al., Nature Cell Biology, 2003). Nous avons récemment développé de nouveaux outils pour comprendre comment le complexe cytoplasmique répond et traduit différents niveaux, de minimum à maximum, de la signalisation Hh. Nous avons montré, qu’au sein du gradient Hh, l’activité du complexe protéique est régulée à la fois par son degrés de phosphorylation et par sa localisation subcellulaire. Nous proposons que le changement subcellulaire de la distribution du complexe protéique, du cytoplasme vers la membrane plasmique, stimule l'activité Ci/Gli nécessaire à une signalisation maximale Hh (Figure 1 ; Ranieri et al., Developmental Cell 2012).

En plus d'être palmitoylé, Hh est l’unique protéine, chez les métazoaires, connue pour être liée de façon covalente au cholestérol. Nous avons développé un nouveau projet dans le but de comprendre comment Hh, modifiée par ces lipides, est sécrétée puis libérée des cellules productrices et comment le morphogène Hh se propage dans les épithéliums de drosophile (Thérond, Current Opinion in Cell Biology, 2012). Nous avons montré que la présence du cholestérol est nécessaire à la diffusion planaire et contrôlée de Hh loin de sa zone de sécrétion. Nous avons montré que la libération et la propagation de Hh dans le milieu hydrophile de l'espace extracellulaire était subordonnée à son assemblage en multimères solubles et à l’activité des Glypicans présents à la surface cellulaire (Gallet et al., Dev. Cell , 2003 ; Gallet et al., Development 2006; Ayers et al., Dev. Cell 2010). Grâce à nos travaux nous proposons un nouveau concept concernant les gradients de morphogène : le gradient Hh correspond en fait à la somme de différents stocks de Hh sécrétés par différentes voies de trafique cellulaire (apicale et baso-latérale). Ce modèle est en faveur de la présence de plusieurs types de transporteurs extra-cellulaires de la protéine secrétée (Fig. 2 ; Ayers et al., Dev. Cell , 2010). Nous isolons actuellement ces différents transporteurs et identifions différentes machineries cellulaires impliquées dans la sécrétion de Hh. Dans ce but, nous avons développé des approches de biologie cellulaire (imagerie cellulaire par analyse confocale) et des cribles génétiques. Par exemple, nous avons effectué un crible par ARN interférants couvrant l’ensemble du génome dans les cellules de Drosophila melanogaster afin d'identifier de nouveaux régulateurs de la sécrétion de Hh. Nous avons établi que la sécrétion de Hh - modifiée par le cholestérol - est fortement dépendante des vésicules de manteau de coatomères I (COPI ; Coat Protein complex I), mais pas des vésicules COPII, suggérant que la modification par le cholestérol modifie le mouvement de Hh lors de la voie de sécrétion précoce (Akin et al., Plos One 2012). D’autres gènes candidats sont étudiés par les outils génétiques classiques.

 
Fig. 1
Au cours du développement, le signal Hedgehog détermine la destinée cellulaire. Cette étude montre que l’intensité de l’activation de la voie Hedgehog module la localisation intracellulaire et la phosphorylation de la kinésine Costal2. Nous proposons que la double phosphorylation de Costal2 facilite un niveau de signalisation Hedgehog élevé via le contrôle de l'activité transcriptionnelle de Ci/Gli (Ranieri et al., Dev. Cell 2012).


 

Fig. 2 Dans les tissus épithéliaux, les peptides Hedgehog diffusent à la fois à travers les membranes apicales et basolatérales. Nous avons montré que le stock apical est impliqué dans l'activité Hedgehog à longue distance. Nous avons proposé que le gradient Hedgehog résulte de l’addition des stocks sécrétés par différentes voies de trafique cellulaire, apicale et baso-latérale. Nous avons également montré que le Glypican Dally augmente la quantité apicale de Hedgehog et que la libération de Dally par la lipase extra-cellulaire Notum stimule l'activité apicale à longue distance de Hedgehog.

 

Dernières publications

Switch of PKA substrates from Cubitus interruptus to Smoothened in the Hedgehog signalosome complex. - 2014 - Nature communications - 5 P5034 - Ranieri N, Thérond PP, and Ruel,L

The mechanisms of Hedgehog signalling and its roles in development and disease. - 2013 - Nature reviews. Molecular cell biology - 14 P416-29 - Briscoe J, and Thérond,PP

Distinct Phosphorylations on Kinesin Costal-2 Mediate Differential Hedgehog Signaling Strength. - 2012 - Dev Cell - Ranieri N, Ruel L, Gallet A, Raisin S, and Thérond,PP

Dally and Notum regulate the switch between low and high level Hedgehog pathway signalling. - 2012 - Development (Cambridge, England) - 139 P3168-79 - Ayers KL, Mteirek R, Cervantes A, Lavenant-Staccini L, Thérond PP, and Gallet,A

Release and transportation of Hedgehog molecules. - 2012 - Current opinion in cell biology - 24 P173-80 - Thérond,PP

Dynamic phosphorylation of the kinesin Costal-2 in vivo reveals requirement of fused kinase activity for all levels of hedgehog signalling. - 2010 - Dev Biol - 344 P119-28 - Raisin S, Ruel L, Ranieri N, Staccini-Lavenant L, and Thérond,PP

The long-range activity of Hedgehog is regulated in the apical extracellular space by the glypican Dally and the hydrolase Notum. - 2010 - Dev Cell - 18 P605-20 - Ayers KL, Gallet A, Staccini-Lavenant L, and Thérond,PP

Evaluating Smoothened as a G-protein-coupled receptor for Hedgehog signalling. - 2010 - Trends Cell Biol - 20 P287-98 - Ayers KL, and Thérond,PP

Variations in Hedgehog signaling: divergence and perpetuation in Sufu regulation of Gli. - 2009 - Genes Dev - 23 P1843-8 - Ruel L, and Thérond,PP

Tow (Target of Wingless), a novel repressor of the Hedgehog pathway in Drosophila. - 2009 - Dev Biol - 329 P280-93 - Ayers KL, Rodriguez R, Gallet A, Ruel L, and Thérond,P

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