Thèse Année : 2025

A novel mechanism for centrosome expulsion ensures metabolic activity in polyploid cells

Un nouveau mécanisme d'expulsion des centrosomes est nécessaire au maintien de l’activité métabolique dans les cellules polyploïdes

Riham Salame
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1659849
  • IdRef : 295028734

Résumé

Centrosomes act as the main microtubule (MTs) organizing centers (MTOC) of animal cells. Each centrosome is composed of two centrioles that recruit and assemble the pericentriolar material (PCM) responsible for MT nucleation. Although centrosome number is tightly regulated in the cell, many exceptions can be found. This is the case of centrosome amplification in multiciliated cells or centrosome elimination in programmed polyploid Drosophila salivary gland (SGs) cells.Polyploidy is defined by the presence of more than two sets of all chromosomes and is achieved through different pathways. Endoreplication is the most common physiological way to generate polyploid cells by alternating G and S phase without entering mitosis. Interestingly, many endoreplicating cells lose their centrosomes in a not well understood mechanism.With the aim of characterizing the mechanism of centrosome elimination, I used Drosophila SGs as a model system. These are highly secretory tissues composed of secretory cells surrounding a tubular lumen, in which they secrete a glue essentiel for pupariation. These secretory cells undergo several rounds of endoreplication generating cells with up to 2048C with the chromosomes attached one to another, polyten chromosome.I first analyzed centrosome behavior during embryonic SG development, since centrosomes disappear at those developmental stages. Using immunofluorescence and live imaging approaches, I identified a model for centrosome elimination, that is initiated when centrosomes localize at the apical membrane at early embryonic stage. Then centrosomes are release into the lumen at later stages of embryogenesis. While analyzing the membrane behavior, I could detect that the centrosomes localized at the apical membrane were engulfed in an actin vesicle enriched with active myosin II (MyoII). This suggested a possible role of MyoII in the elimination process, which was confirmed using a hypomorphic mutation (MyoIImut) Surprisingly, an increase in centrosome numbers in MyoIImut SGs was also detected compared to WT SGs, suggesting that if centrosomes were not eliminated from the cell, they are capable of duplicating throughout development.I then confirmed that MyoII activity is essential for centrosome elimination as only wild type MyoII, not inactive MyoII, could rescue the MyoIImut phenotypes in L3 SGs. I also used another strategy to maintain centrosomes in the cell without affecting the whole cytoskeleton, by overexpressing Sak/Plk4 (Plk4OE) known to induce centrosome amplification. Interestingly, centrosomes were present in Plk4OE SG cells, and they were only eliminated with the constitutive active MyoII, suggesting that centrosome elimination is a time restricted process dependent on MyoII activity. Centrosomes in the lumen were polyubiquitinated for proteasome degradation until they disappeared in prepupae stages. Using different mutations, I could identify the involvement of autophagy and autolysosome exocytosis in centrosome release in the lumen.I next investigated the purpose of centrosome elimination in SG cells. Maintenance of centrosomes in SG cells had no effect on cell size or ploidy and on MT nucleation. Surprisingly however, I could identify defects in mitochondria structure and organization. This was reinforced with seahorse experiments showing reduced respiration and ATP production, uncovering a novel role for centrosome elimination in ensuring proper mitochondria organization to maintain metabolic and respiratory activity in polyploid SG cells.In conclusion my PhD work revealed a novel mechanism involved in centrosome elimination with key functions in safeguarding the mitochondria cytoskeleton ensuring high metabolic energy production.

Les centrosomes sont les principaux centres d’organisation des microtubules (MTs) dans les cellules animales. Chaque centrosome contient deux centrioles entourés d’un matériel péricentriolaire (PCM) qui permet la nucléation des MTs. Bien que leur nombre soit normalement bien régulé, certaines cellules font exception. Par exemple, on observe une amplification des centrosomes dans les cellules multiciliées, et une élimination programmée dans les cellules polyploïdes des glandes salivaires (SGs) de la Drosophile. La polyploïdie, définie par la présence de plus de deux copies de chromosomes, peut résulter de différentes voies, dont l’endoréplication – un cycle cellulaire modifié où les phases G et S alternent sans mitose. Ce processus, fréquent chez les cellules polyploïdes, s’accompagne souvent d’une perte des centrosomes par un mécanisme encore mal compris.Pour étudier ce phénomène, j’ai utilisé les SGs de la Drosophile comme modèle. Ces tissus sécrétoires sont composés de cellules géantes, polyploïdes (jusqu’à 2048C), organisées autour d’un lumen dans lequel elles sécrètent une colle essentielle à la puparation. Les chromosomes de ces cellules, chromosomes polytènes, résultent de cycles successifs d’endoréplication. J'ai d'abord analysé le comportement des centrosomes au cours du développement embryonnaire des SGs, étant donné que les centrosomes disparaissent à ces stades de développement. En utilisant des approches d'immunofluorescence et d'imagerie en direct, j'ai identifié un modèle pour l'élimination des centrosomes, qui commence lorsque les centrosomes se localisent à la membrane apicale au début du stade embryonnaire. Les centrosomes sont ensuite libérés dans le lumen à des stades ultérieurs de l'embryogenèse. En analysant le comportement de la membrane, j'ai constaté les centrosomes localisés à la membrane apicale dans une vésicule enrichie d'actin et myosine II active (MyoII). Ceci suggère un rôle de MyoII dans le processus d'élimination, ce qui a été confirmé en utilisant une mutation hypomorphe (MyoIImut). De manière surprenante, une augmentation du nombre de centrosomes dans les SGs MyoIImut a également été détectée par rapport aux SGs WT, suggérant que si les centrosomes n'ont pas été éliminés de la cellule, ils sont capables de se dupliquer tout au long du développement. J'ai ensuite confirmé que l'activité de MyoII est essentielle pour l'élimination des centrosomes, car seul MyoII WT, et non MyoII inactif, pouvait sauver les phénotypes MyoIImut dans les SGs à L3. J'ai également utilisé une autre stratégie pour maintenir les centrosomes dans la cellule sans affecter l'ensemble du cytosquelette, en surexprimant Sak/Plk4 (Plk4OE), connu pour induire l'amplification des centrosomes. Il est intéressant de noter que les centrosomes étaient présents dans les cellules du SG Plk4OE n'étaient éliminés qu'avec le MyoII d’activité constitutif, ce qui suggère que l'élimination des centrosomes est un processus limité dans le temps qui dépend de l'activité du MyoII. Les centrosomes dans le lumen ont été polyubiquitinés pour la dégradation par le protéasome jusqu'à ce qu'ils disparaissent au stade de la prépupa. En utilisant différentes mutations, j'ai pu identifier l'implication de l'autophagie et de l' exocytose lysosomal dans la libération des centrosomes dans le lumen. J'ai ensuite étudié l'objectif de l'élimination des centrosomes. Le maintien des centrosomes dans les cellules n'a eu aucun effet sur la taille ou la ploïdie des cellules ni sur la nucléation des MTs. Cependant, j'ai pu identifier des défauts dans la structure et l'organisation des mitochondries. Ceci a été renforcé par des expériences de seahorse montrant une réduction de la respiration et de la production d'ATP.En conclusion, mon travail de doctorat a révélé un nouveau mécanisme impliqué dans l'élimination des centrosomes avec des fonctions clés dans la sauvegarde du cytosquelette des mitochondries assurant une production élevée d'énergie métabolique.

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Citer

Riham Salame. A novel mechanism for centrosome expulsion ensures metabolic activity in polyploid cells. Development Biology. Université Paris sciences et lettres, 2025. English. ⟨NNT : 2025UPSLS040⟩. ⟨tel-05559281⟩
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