Most cells are polarized and they adopt a wide variety of morphologies. Cell polarization relies on the deposition of polarity factors at a restricted part of the cell, allowing growth and shaping of the cell form at a very constrained spatiotemporal location. Cell functionality is fundamentally tied to cell function and we know that several diseases originate from an improper cell shape. For example, sickle cell disease arises when red blood cells are defective for cell membrane elasticity and develop an abnormal cell shape impairing their ability to move freely in the blood vessels causing severe anemia.
Some fungi have been described to inherently switch between two cell morphologies; they are called dimorphic species. Typically, these species will alternate between yeast growth and filamentous growth, characterized by a tremendously elongated and polarized cell shape called hypha. During my thesis, I studied the transition in morphology displayed by poorly studied fission yeast; Schizosaccharomyces japonicus. This species has been previously described to transition to filamentous growth to escape a harmful environment. In chapter 1 of my thesis, I describe the discovery of an inducer for filamentation independent of stress, the fruit extracts. I then detail the morphological transition from cytological observation and evidence the diverging roles of the cytoskeleton in the transition. The filamentous form of S. japonicus is particularly interesting because it seems to diverge a lot from other filamentous species indicating a different filamentation form. For example, I showed that it did not assemble a Spitzenkörper, a vesicular structure formed by most filamentous species. During the dimorphic switch there is translation of symmetrical mode of growth embodied by the yeast morphology towards an asymmetrical system represented by the hyphal form. This transition allows for fascinating questions like, how does an asymmetrical system positions nucleus or division plane? In chapter 2, I continued my description of this unstudied species by looking at the localization of actin based motors called Myosin
V. By doing so, I uncovered an overlapping between cytoskeletal tracks and a potential alternate mechanism to move cargoes in the cell in fission yeast. Finally in chapter 3, I did a transcriptomic analysis of the transition from yeast to hypha to elucidate potential genes involved in the morphological switch. This work evidenced a complete rewiring of gene expression after the transition.
Résumé scientifique
Dans le règne du vivant, les cellules adoptent une multitude de morphologies diverses et variées. Ce processus de polarisation cellulaire dépend de la déposition de facteurs de polarité à un endroit très précisément défini de la cellule afin de limiter la croissance cellulaire dans le temps et l’espace. Le bon fonctionnement d’une cellule est directement dépendant de sa forme et plusieurs pathologies humaines qui découlent d’une morphologie cellulaire anormale sont connues. Par exemple, la drépanocytose est due à une baisse d’élasticité de la paroi cellulaire, ce qui entraine une morphologie altérée de la cellule, une mauvaise circulation des globules rouges dans le système sanguin et une anémie très sévère.
Certains champignons sont capables d’alterner entre deux types de morphologie cellulaire dans leur cycle de vie, on parle alors d’espèces dimorphiques. Typiquement, ces espèces vont alterner entre une morphologie de type levure et de type filamenteuse, c’est-à-dire une cellule très allongée et polarisée aussi appelée hyphe. Pendant ma thèse, j’ai étudié la transition dimorphique observée chez une levure fissipare très peu étudiée, Schizosaccharomyces japonicus. Cette espèce a tendance à former des hyphes pour s’échapper d’un environnement peu favorable. Dans le chapitre 1 ma thèse, je décris la découverte d’un inducteur sans stress de la transition dimorphique, les extraits de fruits. Je décris ensuite en détails la transition cytologique observée en présence de cet inducteur et je mets en évidence les rôles divergents du cytosquelette. La forme filamenteuse de S. japonicus est particulièrement intéressante parce qu’elle apparait très différente de ce qui est observé dans d’autres espèces, indiquant qu’un mode de filamentation alternatif est possible. Par exemple, j’ai montré que cette espèce n’assemble pas une structure vesiculaire formée par la plupart des espèces filamenteuses : le Spitzenkörper. La transition morphologique chez S. japonicus s’accompagne aussi du passage d’un système de croissance symétrique à asymétrique, ce qui m’a permis d’aborder des questions d’ordre très fondamental concernant le positionnement du site de division ou du noyau cellulaire. Dans le chapitre 2, j’ai poursuivi ma description du cytosquelette en analysant la localisation de moteurs d’actine, les myosines de type V, et ai mis en évidence l’existence d’une potentielle coopération entre les câbles du cytosquelette dans les levures de fission afin de bouger des vésicules de transport dans la cellule. Enfin, dans le chapitre 3, afin de mieux comprendre les bases génétiques de cette transition, j’ai aussi effectué une étude transcriptomique lors du changement de forme cellulaire. Ce travail a notamment mis en évidence un réarrangement total de l’expression génique lors de la transition.
Résumé Grand Public
L’unité de base du vivant connu est la cellule. Dans le règne du vivant, les cellules adoptent une multitude de formes diverses et variées, qui correspondent à leur fonction cellulaire. Le bon fonctionnement d’une cellule est directement dépendant de sa morphologie et plusieurs pathologies humaines qui découlent d’une morphologie anormale de cellules sont connues. Par exemple, la drépanocytose est due à une morphologie cellulaire altérée qui entraine une mauvaise circulation des globules rouges dans le système sanguin et cause une anémie très sévère.
Certaines espèces de champignons sont capables de changer de morphologie cellulaire dans certaines circonstances. Pendant ma thèse, j’ai étudié l’une de ces espèces, une levure fissipare, ou levure de fission, appelée Schizosaccharomyces japonicus. Elle alterne entre une morphologie de levure de fission, c’est-à-dire une morphologie de petits cylindres microscopiques et une morphologie d’hyphes qui correspond à une forme cylindrique beaucoup plus allongée qui peut attendre le millimètre. Mon travail de thèse visait à décrire le plus précisément possible cette transition de forme cellulaire. Nous avons d’abord découvert une nouvelle méthode d’induction de cette transition, en effet S. japonicus forme des hyphes en grandissant en présence de jus de raisin. J’ai décrit le changement de localisation du cytosquelette et de diverses autres protéines. La transition morphologique chez S. japonicus s’accompagne aussi du passage d’un système de croissance symétrique à asymétrique, ce qui m’a permis d’aborder des questions d’ordre très fondamental concernant le positionnement du site de division ou du noyau cellulaire. Afin de mieux comprendre les bases génétiques de cette transition qui est mal connue dans cet organisme, j’ai aussi effectué une étude transcriptomique lors du changement de forme cellulaire. Ce travail a notamment mis en évidence un réarrangement total de l’expression génique lors de la transition.
En résumé mon travail de thèse offre une description d’un processus important de la vie cellulaire dans une espèce très largement méconnue.