Les protéines G hétérotrimériques au cours de la division asymétrique chez la drosophile The heterotrimeric G proteins during asymmetric cell division in Drosophila

Les métazoaires sont constitués d’un grand nombre de types cellulaires différents. Une division est dite asymétrique lorsqu’elle engendre des cellules filles d’identités différentes. Ainsi, la division asymétrique est un mode de diversification cellulaire fondamental au cours du développement [1], notamment pour permettre le maintien de cellules souches. L’un des mécanismes de divisions asymétriques nécessite l’acquisition d’une polarité cellulaire qui se manifeste par la localisation asymétrique de molécules, appelées déterminants cellulaires. Le fuseau s’oriente ensuite pour permettre la ségrégation des déterminants cellulaires dans une seule des cellules filles lui conférant ainsi une identité différente de sa soeur [2]. L’étude des divisions asymétriques chez les vertébrés et les invertébrés a mis en lumière le rôle conservé des protéines G hétérotrimériques au cours de ce processus. Les protéines G hétérotrimériques sont composées de trois sous-unités, α, β, γ. La sous-unité α peut se lier au GDP ou au GTP. Lorsque Gα est liée au GDP et associée au dimère Gβγ, il s’agit de la conformation inactive. Classiquement, les protéines G hétérotrimériques sont activées par des récepteurs à sept domaines transmembranaires. Lorsqu’un ligand se fixe au récepteur, celui-ci joue alors le rôle de facteur d’échange de guanine (GEF) et catalyse l’échange du GDP par du GTP sur la sous-unité Gα. Gα associé au GTP (Gα-GTP) se sépare de Gβγ. Gα-GTP et Gβγ activent différentes voies de signalisation [3]. L’étude des divisions a mis en lumière l’existence d’un nouveau mode d’activation des protéines G hétérotrimériques indépendant des récepteurs à sept domaines transmembranaires.

Nous étudions les mécanismes d’activation des protéines G hétérotrimériques lors de la division asymétrique de la cellule pI, précurseur des organes mécanosensoriels présents sur le thorax dorsal de drosophile. La cellule pI se divise asymétriquement pour donner naissance aux cellules pIIα et pIIβ qui se divisent elles-mêmes asymétriquement pour donner naissance aux 4 cellules, neurone, soie, socle et gaine, de l’organe [4].

Avant la division asymétrique de la cellule pI, une polarité cellulaire est établie sous le contrôle de Frizzled (Fz) un récepteur à sept domaines transmembranaires, accumulé au cortex apical postérieur de la cellule pI. Frizzled est responsable de l’accumulation de différents complexes au cortex antérieur et postérieur de la cellule pI en division [5]. Un premier, composé de Partner of Inscuteable (Pins), Gαi et Disc-large (Dlg), se localise au cortex antérieur. Un deuxième complexe composé de Bazooka (Baz, homologue de Par-3) et DmPar-6, ainsi que de la protéine kinase atypique DaPKC se localise au cortex postérieur. Ces deux complexes définissent deux domaines distincts mutuellement exclusifs, au cortex antérieur et postérieur. Ils permettent ainsi la localisation correcte des déterminants cellulaires Numb, et de sa protéine adaptatrice Partner of Numb (Pon) au cortex antérieur de la cellule pI [5] (Figure 1).

Figure 1

Les différentes étapes de la division asymétrique de la cellule pI.

A. La polarité planaire de la cellule pI se manifeste par la localisation asymétrique postérieure de Fz (bleu). B. Fz permet alors la localisation du complexe Dlg-Pins-Gai (orange) au cortex antérieur et de Baz-DaPKC-Par6 (vert) au cortex postérieur. C. Ces complexes sont requis pour localiser asymétriquement au cortex antérieur les déterminants cellulaires Neuralized (Neur) et Numb ainsi que Partner of Numb (Pon), un adapteur de Numb. Neur, Numb et Pon sont représentés en violet. D. Le fuseau mitotique s’oriente ensuite afin de permettre la ségrégation de Neur, Numb et Pon uniquement dans la cellule antérieure qui adoptera l’identité pIIb.

Le mécanisme d’action du complexe Dlg/Pins/Gαi est partiellement élucidé. Au pôle antérieur, Dlg interagit directement avec Pins et ancre ainsi Pins au cortex antérieur. Le modèle proposé est que Pins interagit directement avec Gαi complexé au GDP et dissocie ainsi Gαi -GDP du dimère formé de Gβ13F et Gγ1. La voie de signalisation Gβγ est ainsi activée et un complexe Pins-Gαi-GDP serait engendré au cortex antérieur de la cellule pI [6]. L’identification de Ric-8, une protéine cytoplasmique, comme interacteur direct de Gαi et la caractérisation de son activité GEF pour Gαi chez les mammifères [7] nous a poussé à analyser la fonction de son homologue de drosophile au cours de la division de la cellule pI. Cette étude nous a conduit à découvrir un rôle de Ric-8 dans la localisation des protéines G hétérotrimériques et à identifier un mécanisme d’orientation du fuseau mitotique dans le plan de l’épithélium [8].

Ric-8 est requis pour la localisation corticale de Gαi et de Gβ13F

Nous avons tout d’abord mis en évidence que Ric-8 était requis pour localiser Numb et Pins au cortex antérieur et pour exclure Baz du cortex antérieur. Ric-8 polarise donc la cellule pI et sa perte de fonction se traduit par un phénotype identique à celui de Gαi. Cette étude a également permis d’observer un phénotype surprenant dans les cellules mutantes pour ric-8. En effet, en l’absence de Ric-8, les sous-unités Gαi et Gβ13F ne sont plus accumulées au cortex des cellules pI ainsi que des cellules épithéliales voisines. Les quantités de protéines Gαi et Gβ13F étant similaires dans les tissus sauvages et mutants pour ric-8, Ric-8 agirait sur la localisation de ces sous-unités. Nous avons ainsi identifié un nouveau rôle inattendu de Ric-8 : il contrôle la localisation de sous-unités des protéines G hétérotrimériques. Il a été montré que la formation du trimère Gαβγ ainsi que des modifications lipidiques des sous-unités Gα et Gγ sont nécessaires à la localisation corticale des sous-unités Gα, Gβ et Gγ [9]. En tant que nouvel acteur dans la localisation corticale, Ric-8 pourrait agir sur une de ces deux étapes, la trimérisation ou les modifications lipidiques. Le rôle de Ric-8 dans la localisation corticale des protéines G hétérotrimériques a été confirmé par les groupes de J. Knoblich [10] et W. Chia [11] travaillant sur la drosophile et le groupe de P. Gonczy [12] travaillant sur le nématode. L’équipe de J. Knoblich [10] a de plus proposé que Ric-8 pourrait agir comme un chaperon pour permettre la formation du trimère.

Deux voies s’opposent pour contrôler l’orientation du fuseau mitotique

Lors des divisions asymétriques, l’orientation du fuseau mitotique permet la ségrégation des déterminants cellulaires dans une seule des cellule-filles (Figure 1). Au cours de la division de la cellule pI, le fuseau est orienté le long de l’axe antéro-postérieur et il est de plus légèrement incliné le long de l’axe apico-basal, le centrosome postérieur étant toujours plus apical que le centrosome antérieur. L’orientation le long de l’axe antéro-postérieur est dépendante de Fz [13], les mécanismes contrôlant l’orientation le long de l’axe apico-basal de l’épithélium étaient jusqu’à présent inconnus.

Ric-8, Pins et Gαi contrôlant la polarité de la cellule pI, nous avons voulu savoir s’ils étaient nécessaires pour orienter le fuseau mitotique. Ric-8, Pins et Gαi ne contrôlent pas l’orientation antéro-postérieure du fuseau mitotique dans la cellule pI. En revanche, dans les cellules mutantes pour ric-8, pins ou Gαi, le fuseau mitotique est beaucoup plus incliné le long de l’axe apico-basal que dans les cellules sauvages, toujours avec le centrosome postérieur plus apical. Ainsi, la division n’a plus lieu dans le plan de l’épithélium et l’une des cellule-filles est plus apicale que l’autre. Gαi et ses régulateurs, Pins et Ric-8, maintiennent donc le fuseau mitotique dans le plan de l’épithélium, lors de la division de la cellule pI. Fz exerce une activité antagoniste à celle de la voie de Gαi pour contrôler l’inclinaison du fuseau mitotique. En effet dans les cellules doubles mutantes pour la voie de Gαi, et pour fz, le fuseau mitotique devient plan. Fz est responsable de l’inclinaison du fuseau mitotique dans les cellules mutantes pour des acteurs de la voie de Gαi. Fz est également responsable de la légère inclinaison du fuseau mitotique dans les cellules sauvages.

Notre étude permet de proposer un modèle à deux forces contrôlant l’orientation du fuseau mitotique dans les cellules pI (Figure 2). Fz contrôle l’orientation antéro-postérieure du fuseau mitotique et tend à l’incliner le long de l’axe apico-basal alors que la voie de signalisation de Gαi assure le maintien du fuseau dans le plan de l’épithélium. Des travaux récents réalisés chez les vertébrés mettent en évidence que la voie de signalisation des récepteurs de la famille Fz [14] ainsi que les protéines G hétérotrimériques [15] orientent le fuseau mitotique au cours des divisions, symétriques ou asymétriques. L’orientation du fuseau mitotique dépend de forces de traction qui s’exercent sur les microtubules astraux du fuseau. La caractérisation des mécanismes moléculaires qui sous-tendent ces forces en aval du récepteur Fz ou des protéines G dans la cellule pI permettra une meilleure compréhension de mécanismes conservés d’orientation du fuseau mitotique.

Figure 2

Modèle pour l’orientation du fuseau mitotique lors de la division asymétrique de la cellule pI.

Représentation schématique de l’orientation du fuseau mitotique dans des cellules témoins, des cellules mutantes pour frizzled et des cellules mutantes pour pins, Gαi ou ric-8. Dans les cellules sauvages, le fuseau est orienté le long de l’axe antéro-postérieur par Frizzled. Son orientation apico-basale dépend de deux activités antagonistes. Le fuseau est alors légèrement incliné dans le plan de l’épithélium. En l’absence de Frizzled, l’orientation antéro-postérieure du fuseau devient aléatoire et le fuseau devient plan. Dans les cellules mutantes pour pins, Gαiou ric-8, l’orientation antéro-postérieure du fuseau n’est pas altérée, néanmoins le fuseau est très incliné dans le plan de l’épithélium.