cell-cell fusion in fission yeast


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Serval ID
PhD thesis: a PhD thesis.
cell-cell fusion in fission yeast
Dudin Omaya
Martin  Sophie
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Faculté de biologie et de médecine
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne

Publication state
Issued date
Cell-cell fusion is a vital process that occurs in many organisms during development and in ail eukaryotes for sexual reproduction. In général, three major steps are needed for efficient cell-fusion: First, communication occurs between future partner cells. Second, cells polarize towards each other for pairing. Finally, a fusion machinery is assembled at the cell-cell contact site to enable membrane merging. In walled cells, such as fungi, local cell wall dégradation is required to enable plasma membrane fusion. How cell-cell fusion is achieved at the molecular level in fission yeast has never been studied in détails.
Here I show that a specific actin structure, which we named the actin fusion focus, is required to achieve cell-cell fusion. The structure is focalized around the formin Fusl, which nucleates linear actin filaments, driving the local concentration of type V myosin motors, which I showed are also required for fusion. Indeed, focalization of myosin V serves for the précisé delivery and sécrétion of cell-wall hydrolases at the site of fusion, whereas cell wall synthases display a broad distribution. Using a genetic screen, I identified mutants affecting the clustering of type V myosins which showed severe fusion defects. Finally, in collaboration with Celine Loussert, I developed a new correlative light electron microscopy method, which enabled us to follow cell-wall dégradation during the fusion process. Ail together, these results show that the transition from cell growth to cell fusion is promoted by a géométrie change in the delivery of cell wall hydrolases, which creates a local imbalance in cell wall polymers turnover thus allowing local cell wall thinning for fusion.
Since yeast cells are under strong turgor pressure, the assembly of the fusion focus at the wrong place or time would lead to cell lysis. What promotes the cellular décision to form a functional fusion focus? I have shown that, cell fusion does not require cell-cell contact, or a dedicated signal. Instead, it depends on the classical G protein-coupled receptor signaling through a MAP kinase cascade. Importantly, I show that the critical signal relies in the spatial focalization of this signaling pathway. The key experiment came from constructing autocrine cells that do not need a partner to start the signaling cascade. These cells are able to form a functional fusion focus, and attempt fusion, which leads to cell lysis in absence of a partner cell. Because these cells secrete pheromones locally by a dedicated transporter enriched at the fusion focus, and this local pheromone gradient is necessary for fusion, I conclude that the fusion signal is encoded not in the absolute amounts of pheromone, but in its spatial organization/focalization. Beyond the transporter, I show that ail the major components of the pheromone-signaling cascade are enriched at the focus in both autocrine cells and partner cell pairs.. Mutants lacking pheromone receptor focalization display an unstable, mobile fusion focus and thus cannot focalize the sécrétion of cell wall hydrolases and are fusion defective. Finally, I have demonstrated that forcing pheromone receptor or MAPK recruitment to the fusion focus is sufficient to induce its stabîlization and causes prématuré fusion attempts leading to lysis. In conclusion, my results demonstrate that focalization of pheromone release, GPCR and MAPK signaling at the actin fusion focus results from a positive feedback loop between pheromone signaling and the actin fusion focus and induces cell fusion commitment by stabilizing the focus for local cell wall digestion. Thus, spatial re- organization of the signaling cascade underlies the décision to fuse.
La fusion cellulaire est un processus vital qui se produit chez de nombreux organismes au cours de leur développement et notamment chez tous les eucaryotes durant la reproduction sexuelle. En général, des étapes sont nécessaires pour que la fusion cellulaire soit efficace : premièrement, les futurs partenaires doivent communiquer; deuxièmement, les cellules doivent entrer en contact, notamment en polarisant leur croissance envers le partenaire et enfin, dernièrement, une « machinerie » de fusion doit être mise en place pour permettre la fusion des membranes plasmiques. Chez les cellules ayant une paroi cellulaire, une dégradation localisée de celle-ci est nécessaire pour permettre aux membranes plasmiques d'entrer en contact. Comment la fusion cellulaire, au niveau moléculaire, est atteint chez la levure fissipare n'a jamais été étudié en détail auparavant.
Ici, je démontre qu'une structure spécifique d'actine, nommée le focus de fusion, est nécessaire pour la fusion cellulaire. Cette structure est focalisée autour de la formine Fusl qui nuclée des filaments d'actine linéaire permettant la concentration des myosines de type V au futur site de fusion. La focalisation des myosines de type V permet la livraison localisée des enzymes de dégradation de la paroi au site de fusion. En contrepartie, les enzymes de synthèse de la paroi cellulaire ont une distribution plus étendue. En utilisant un criblage génétique, j'ai identifié des mutants affectant la focalisation des myosines de type V ce qui a pour conséquence une fusion cellulaire démunie. De plus, en collaboration avec Céline Loussert, j'ai établi une nouvelle méthode de microscopie électronique corrélative, qui m'a permis de suivre dans le temps la dégradation de la paroi pendant la fusion. Réunis ensemble, ces résultats montrent que le changement entre croissance et fusion cellulaire est induit par un changement géométrique de la livraison des hydrolases de la paroi. Nous pensons que ce changement permet de créer un déséquilibre dans le renouvellement de la paroi entraînant l'amincissement local de la paroi pour la fusion.
Les levures sont sous une grande pression de turgescence, ce qui implique une haute régulation spatio-temporelle du focus de fusion. Un assemblage trop précoce ou une mauvaise localisation induirait une lyse cellulaire. Qu'est-ce qui incite la décision cellulaire à former un focus de fusion fonctionnel ? J'ai montré que la fusion cellulaire n'exige pas un contact cellulaire ni un signal dédié. En revanche, elle repose sur une voie classique de signalisation impliquant un récepteur couplé à une protéine G activant une cascade de type MAP kinase. Je montre que le signal critique pour la fusion cellulaire réside dans la focalisation spatiale de cette voie de signalisation. L'expérience clé est venue de la construction de cellules autocrines. Ces cellules forment un focus de fusion fonctionnelle et tentent de fusionner en l'absence d'un partenaire ce qui aboutit à leur lyse. J'ai également montré que le transporteur des phéromones ainsi que tous les membres de la voie de signalisation des phéromones est focalisée et co-localisée avec le focus de fusion. J'en conclus que le signal nécessaire pour la fusion n'est pas programmé dans la quantité globale de phéromones mais dans sa régulation spatiale. Des mutants incapables de focaliser la voie de signalisation montrent un focus de fusion instable et mobile et ne peuvent pas focaliser les enzymes de dégradation de la paroi et sont par conséquent incapables de fusionner. Finalement, en collaboration avec Laura Merlini, nous avons montré que forcer la focalisation de la voie de signalisation à l'endroit où se trouve le focus de fusion induit une stabilisation de celui-ci et une tentative prématurée de fusion menant à une lyse. En conclusion, mes résultats montrent qu'une boucle de rétroaction entre la signalisation par les phéromones et le focus de fusion permet d'induire la fusion cellulaire.
Cell-cell fusion is an essential process in life. During fertilization, for instance, the spermatozoid fuses with the ovule to produce a zygote. During my PhD I investigated how and when cells décidé to fuse. To answer these questions I used fission yeast as a model organism. Fission yeast cells undergo cell-cell fusion during their sexual life cycle. Indeed, yeast cells of two différent sexual types can attract each other via sécrétion and sensing of specific diffusible molecules named pheromones. The cells would then fuse together in order to produce a zygote, which will generate super résistant spores. My thesis work revealed that cells rely on an acto-myosin based structure as main fusion machinery. We named this structure the fusion focus, and its key rôle is to precisely deliver cell wall dégradation enzymes at the future fusion site. This delivery would enable cells to pierce through the cell wall and allow plasma membrane merging.
I then tried to understand how cells décidé when to fuse. Indeed yeast cells are under strong turgor pressure and the assembly of a fusion focus at the wrong place or time could prompt cell death because of lysis. My work revealed that cells rely on the spatial organization of the pheromone signaling cascade, which is the main inter-cellular communication complex in fission yeast. Indeed, I show that focalization of the pheromone signaling cascade coincides with commitment to a future partner. Moreover, I show that the fusion signal is not encoded in the absolute amount of pheromone, but in its spatial organization. Indeed forcing pheromone-signaling cascade to focalize where the fusion focus is, induces the stabilization of the fusion focus and a prématuré fusion attempt that causes lysis.
In summary, during my PhD I characterized a novel actin structure, established a solid framework to elucidate the process of cell-cell fusion and revealed how cells décidé when and where to fuse. My work thus makes an important advance in demonstrating that the spatial organization of signaling pathways can fundamentally change the system's output.
La fusion cellulaire est un processus essentiel dans la vie. Par exemple, pendant la fertilisation, le spermatozoïde fusionne avec l'ovule afin de produire un zygote. Lors de ma thèse je me suis intéressé à, comment et quand, les cellules décident de fusionner. Pour répondre à ses questions j'ai utilisé un organisme modèle : la levure fissipare. Les levures fissipares peuvent fusionner ensemble pendant leur cycle de reproduction sexuelle. En effet, les levures fissipares ont deux types sexuels qui peuvent s'attirer en sécrétant et en détectant des phéromones. Ces cellules vont par la suite fusionner ensemble pour produire un zygote qui donnera naissance à quatre spores résistantes. Mon travail de thèse a révélé que les cellules ont besoin d'un mécanisme de fusion composé essentiellement d'actine et de myosines de type V. Cette structure se nomme le focus de fusion et son rôle clé est de livrer précisément des enzymes de dégradation de la paroi cellulaire au futur site de fusion. Cette structure permet aux cellules de percer à travers la paroi et aux membranes plasmiques de fusionner ensemble par la suite.
Ensuite, je me suis intéressé à comment les cellules décident quand fusionner. Mon travail a établi que les cellules comptent sur l'organisation spatiale de la voie de signalisation des phéromones, qui est le principal moyen de communication entre les cellules. En effet, je montre que la focalisation de cette voie coïncide avec l'engagement envers un futur partenaire. De plus, je montre que le signal de fusion ne réside pas dans les taux absolus de phéromones mais dans leur organisation spatiale. Forcer la focalisation de cette voie de signalisation à l'endroit où le focus de fusion est présent induit une stabilisation de ce dernier et une tentative prématurée de fusion menant à une lyse.
En résumé, pendant ma thèse j'ai pu caractériser une nouvelle structure d'actine, j'ai fondé un cadre solide afin d'élucider le processus de fusion cellulaire et j'ai également démontré comment les cellules décident quand et où fusionner. Mon travail permet donc une avancée importante en démontrant que l'organisation spatiale d'une voie de signalisation peut fondamentalement changer le résultat final d'un système.
Create date
21/12/2016 12:27
Last modification date
20/08/2019 14:36
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