Au cours des dernières décennies, l'étude approfondie du fonctionnement des cellules eucaryotes nous a apporté une connaissance détaillée des mécanismes moléculaires et structuraux dont dépendent les principaux processus cellulaires. Bien que ces travaux constituent un aspect essentiel de notre compréhension de la biologie des cellules vivantes, des approches alternatives s’affranchissant de la complexité des systèmes de régulation endogènes sont aujourd’hui nécessaires pour décrypter les principes élémentaires qui régissent les fonctions cellulaires les plus fondamentales.

A l’instar des organismes modèles, qui ont joué un rôle important dans l'étude des mécanismes conservés au cours de l'évolution, la biologie synthétique a émergé comme un outil sans précédent, se focalisant sur des réseaux modèles mis en place in vivo pour comprendre les principes clés des circuits de contrôle endogènes. Notre équipe se base sur cette stratégie pour étudier le fonctionnement, l'intégration et l'établissement de régulations essentielles, utilisant comme modèle le cycle cellulaire de la levure de fission Schizosaccharomyces pombe.

Nous avons précédemment démontré la possibilité de remplacer le circuit complexe qui organise le cycle cellulaire de la levure, dont l’acteur principal est une kinase dépendante des cyclines (CDK), par un module synthétique minimal court-circuitant une part importante de cette régulation. De manière inattendue, ces cellules sont identiques à des cellules sauvages. Ce système nous a alors permis d'établir un nouveau modèle pour le contrôle du cycle cellulaire eucaryote qui se démarque de la vision classique et extrêmement complexe de ce processus, révélant au contraire la simplicité et la modularité non anticipées du moteur du cycle cellulaire.

Les projets de l'équipe SyntheCell sont articulés autours de quatre axes principaux :

Reproductibilité du cycle cellulaire :
La progression du cycle cellulaire dépend de deux niveaux de régulation étroitement liés: un système de base qui assure l'intégrité des différents événements du cycle dans chaque cellule, et un contrôle quantitatif qui limite sa variabilité d’une cellule à une autre. En nous appuyant sur des circuits de contrôle de l'activité CDK simplifiés et réorganisés in vivo ainsi que sur une approche de modélisation mathématique, nous étudions comment l’architecture du système de régulation du cycle cellulaire constitue en elle-même un aspect important du maintien d’une certaine homogénéité dans une population de cellules.

Dynamiques du cycle cellulaire :
Le système synthétique de régulation du cycle cellulaire que nous avons mis au point nous permet de contrôler artificiellement et de manière très précise l'activité CDK tout en suivant à l'échelle de la cellule unique les effets de modulations spécifiques de cette activité. Ainsi, nous pouvons étudier le rôle des dynamiques de changement d'activité CDK dans l'exécution des principales transitions du cycle cellulaire mais aussi dans la robustesse du processus au niveau d’une population.

Complexité de la régulation du cycle cellulaire :
De manière surprenante, nos résultats démontrent que des pans entiers du circuit endogène de contrôle du cycle cellulaire sont apparemment superflus dans des conditions de culture en laboratoire. Etant données ces observations, nous essayons de comprendre ce qui justifie l'évolution d’une régulation très complexe du cycle cellulaire en étudiant les avantages sélectifs qu’apporte le système sauvage par rapport à des circuits synthétiques minimaux qui semblent complètement fonctionnels.

Evolution de réseaux minimaux :
La façon dont une fonction essentielle contrôlée par un système de régulation rudimentaire évolue quand la cellule se trouve dans des conditions difficiles est une question fondamentale. Pour y répondre, nous utilisons nos réseaux synthétiques de contrôle de l'activité CDK comme modèles pour des expériences d'évolution en laboratoire. Cette approche nous permet de révéler des principes importants dans l'évolution de processus essentiels comme le cycle cellulaire, et d'appréhender la manière dont le fonctionnement des cellules eucaryotes modernes a été établi.

 

                                  

Légendes :
A. Le cycle cellulaire de la levure de fission est sous le contrôle d’une CDK unique, Cdc2, qui s’associe à différentes cyclines pour déclencher les événements successifs du cycle. Gradient rouge: activité Cdc13/Cdc2. Gradient jaune: activité Cig2/Cdc2.
B. Le cycle cellulaire de la levure de fission peut être entièrement orchestré par un module synthétique mono-moléculaire constitué d’une fusion entre Cdc13 et Cdc2 (panneau de gauche). Pcdc13: promoteur et 5’-UTR de cdc13. Gradient rouge: activité Cdc13-Cdc2. Panneau de droite: marquage au blankophor de cellules en phase exponentielle. Barre d'échelle, 10 μm
C. Le noyau du système de contrôle du cycle cellulaire est modulaire (panneau du haut) et repose uniquement sur des changements d’une seule activité CDK qualitative, sans paramètre temporel ni directionnalité. La séquence des événements du cycle est imposée par les caractéristiques d’oscillation de l'activité CDK entre deux seuils (panneau du bas; TS: seuil de phase S, TM: seuil de phase M). Figure adaptée de Coudreuse and Nurse, Nature 2010.

 

Publications

Coudreuse, D., and Nurse, P. Driving the cell cycle with a minimal CDK control network. Nature, 2010, 468:1074-79.

Coudreuse, D., van Bakel, H., Dewez, M., Soutourina, J., Parnell, T., Vandenhaute, J., Cairns, B., Werner, M., and Hermand, D. A gene-specific requirement of RNA polymerase II CTD phosphorylation for sexual differentiation in S. pombe. Curr Biol, 2010, 20:1053-064.

Coudreuse, D., Roël, G., Betist, M.C., Destrée, O., and Korswagen, H.C. Wnt gradient formation requires retromer function in Wnt-producing cells. Science, 2006, 312:921-24.

 

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