Systematic characterization of a large number of Microtubule-Associated Proteins using purification-free TIRF-reconstitution assays - Institut Curie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Systematic characterization of a large number of Microtubule-Associated Proteins using purification-free TIRF-reconstitution assays

Caractérisation systématique d'un grand nombre de protéines associées aux microtubules à l'aide d'essais de reconstitution TIRF sans purification de protéines

Résumé

Microtubules (MTs) are dynamic filaments involved in a plethora of functions such as cell division, cell shape, ciliary beating, neuronal differentiation. Strict regulation of MT functions is therefore of high importance for the cellular homeostasis, and any perturbations could potentially lead to diseases like cancer, ciliopathies and neurodegeneration. At the protein level, there are accumulating studies showing that MT properties can be controlled via interaction with a large variety of MT-associated proteins (MAPs). Our knowledge of MAPs has been enriched over time, but up to this date no systematic studies exist that aim to describe and categorize these proteins according to their binding mechanisms and structural effects on MTs. In my PhD project, I have developed an assay for rapid and systematic analysis of MAPs using cleared lysates of cultured human cells in which I overexpress a variety of different MAPs. The dynamic behaviour of growing MTs in the presence of those MAPs were imaged using TIRF microscopy. This allows me to study the behaviour of around 50 MAP candidates in a situation close to their natural environment, but eliminating complexity coming from different organelles and crammed cytoskeleton filaments inside the confined intracellular space. Indeed, most MAPs were nicely soluble in the extract approach, while purification attempts of several of them led to protein precipitation, thus making classical invitro reconstitution approaches impossible. This novel approach allowed me to compare many MAPs under similar experimental conditions, and helped to define several novel proteins as bona-fide MAPs. I demonstrate that previously uncharacterized MAPs have strikingly different effects on MT polymerization and MT structure, thus creating a variety of distinct MT arrays. I further extended this cell-free pipeline to study structures of MAPs bound to MTs by cryo-electron microscopy, or to study the MT interactions of MAPs carrying patient mutations. Finally, I demonstrated that my approach can be used to test the sensitivity of MAPs to tubulin PTMs, as well as to study the role of MAPs in actin-MT crosstalk. In the future, this novel approach will allow for a better mechanistic understanding of how MAPs and MTs together control cytoskeleton functions.
Le cytosquelette des microtubules (MTs) est constitué de filaments dynamiques impliqués dans une multitude de fonctions telles que la division cellulaire, le maintien de forme des cellules, les battements ciliaires ou encore la différenciation neuronale. Une régulation stricte des fonctions des MTs est donc d'une grande importance pour l'homéostasie cellulaire, et toute perturbation pourrait potentiellement conduire à des maladies comme le cancer, les ciliopathies ou la neurodégénérescence. Dans un contexte cellulaire, les propriétés des MTs peuvent être contrôlées par leurs interactions avec une grande variété de protéines associées (MT-associated proteins ; MAPs). Notre connaissance de ces interacteurs s'est continuellement enrichie au cours des dernières décennies, mais il n'existe à ce jour aucune étude systématique visant à décrire et à classer ces protéines en fonction de leurs mécanismes de liaison et de leurs effets structuraux sur les MTs. Dans mon projet de thèse, j’ai mis au point un essai permettant une analyse rapide et systématique à la base des lysats clarifiés de cellules humaines surexprimant une multitude des différents MAPs. Le comportement dynamique des MT en présence d'environ 50 MAPs différentes a été imagé à l'aide de la microscopie TIRF. Cela nous permet d'étudier le comportement des MAP dans une situation proche de leur environnement naturel, mais en éliminant la complexité de l'espace intracellulaire, telle que l'encombrement par des organelles et des filaments du cytosquelette à l'intérieur de l'espace intracellulaire confiné. En effet, la plupart des MAPs étaient bien solubles dans notre approche d'extraction, tandis que les approches de purification pour plusieurs d'entre elles ont conduit à leur précipitation, rendent les expériences de reconstitution in vitro classique impossible. Ma nouvelle approche m’a permis de définir plusieurs nouvelles protéines comme de véritables MAP. J’ai montré que des MAPs non-caractérisées auparavant ont des effets étonnamment différents sur la polymérisation et la structure des MTs, créant ainsi une variété de réseaux de MT distincts. J’ai également démontré que mon approche permet d'étudier les structures des MAPs associées aux MTs par cryo-microscopie électronique, ou d'étudier le dynamique des MTs porteuses de mutations trouvées dans les pathologies humaines. J’ai également démontré que mon approche permet à tester la sensibilité des MAPs aux modifications post-traductionnelles de la tubuline, ou d'étudier le rôle des MAPs dans les interactions entre l'actine et les MTs. Mon approche expérimentale permet donc de mieux comprendre comment les MAP et les MT contrôlent ensemble le fonctionnement du cytosquelette.
Fichier principal
Vignette du fichier
81985_A-S_2021_diffusion.pdf (86.26 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03579245 , version 1 (18-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03579245 , version 1

Citer

Jijumon A.S.. Systematic characterization of a large number of Microtubule-Associated Proteins using purification-free TIRF-reconstitution assays. Cellular Biology. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASL007⟩. ⟨tel-03579245⟩
266 Consultations
21 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More