To respond accordingly to the various incoming signais the cell must coordinate its multiple intrinsic activities. This coordination is provided by the respective signal transduction events happening inside the cell. Grouped into différent molecular pathways, together they present a huge signaling network, which is a subject for the systems biology studies. On the other hand, cell signaling coordinates variety of developmental programs which, being highly complex processes, also require systems biology approaches. Basic mechanisms underlying signaling phenomena are fairly conservative among species which makes Drosophila melanogaster suitable for their studies.
Thus, we performed multidimensional screenings resulted in identification of more than 250 Drosophila Gao interactors. Further bioinformatics analysis pinpointed several major functional modules each presenting respective basic cellular activity, conserved from Drosophila to humans, as those being under régulation of Gao-mediated signaling. We then selected vesicular trafficking for the in-depth investigation.
We found that the Gao-subunit of heterotrimeric G protein localizes dually to plasma membrane (PM) and Golgi across phyla and cell types. The coordinated action of these two pools is crucial for the formation of various types of cellular outgrowths: the PM pool of Gao induces, and the Golgi pool feeds the growing membrane protrusions by stimulated material delivery to the PM. We further uncovered the evolutionary conserved direct interaction and activation pathway KDEL receptor—>Gao—>Rab 1 /Rab3 at Golgi, required for the latter.
Drosophila wing morphogenesis is a sequence of strictly-defined and well- coordinated morphogenetic events, happening during wing development at pupal stage and wing maturation after eclosion of a fly from a pupal case.
Through RNAi screening we identified more than 200 genes, tissue-specific downregulation of which resulted in wing blistering - a conséquence of impaired integrin-mediated adhésion of the dorsal and ventral wing epithelial sheets at pupal stage of Drosophila metamorphosis. Extensive scrutiny of the literature data broadened this list up to 358 genes. With the use of bioinformatics approaches, we further constructed a large interaction network, which we called blisterome, remarkably revealing not only components of the integrin-mediated machinery, but also participants in other cellular processes, e.g. cell cycle, RNA splicing, and vesicular trafficking. Among human orthologues of the Drosophila blisterome components we find many disease-related genes, suggesting that impaired cell adhésion may be one of the etiological factors which contribute to manifestation of those maladies.
We also show that extracellular zona pellucida domain-containing protein Miniature plays an important rôle in the post-eclosion wing maturation processes, triggered by the neurohormone bursicon, acting upstream from the heterotrimeric Gs protein in a bursicon—>Rickets—>Gs signaling cascade. Wing expansion and epithelial cells apoptosis are drastically delayed in miniature loss-of-function mutants, and sped up upon miniature overexpression in wing epithelia. In turn, re-expression of miniature rescues mutant phenotypes to the full extent cell-autonomously, but also to a certain extent in a non-autonomous manner within the wing tissue.
Overall, this thesis work shows the utility of systems biology approaches such as various screenings followed by bioinformatics analysis in uncovering the complex nature of the signaling phenomena being studied. Whether it Drosophila Gao interactome or Drosophila wing morphogenetic developmental program, systems biology approaches provided the général overview of their underlying molecular and functional networks' architecture and properties, which further allowed to focus on the components' peculiarities.
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Pour répondre correctement aux différents signaux entrants, la cellule doit coordonner ses multiples activités. D'une part, cette coordination est assurée par les événements de transduction de signal se produisant à l'intérieur de la cellule. Regroupés en différentes voies moléculaires, ils présentent ensemble un énorme réseau de signalisation, qui est un sujet d'étude de la biologie systémique. D'autre part, la communication intercellulaire coordonne la variété des programmes de développement qui, étant des processus très complexes, nécessitent également des approches de la biologie systémique. Les mécanismes de base sous-jacents à ces deux phénomènes sont assez conservés parmi les espèces, ce qui rend la Drosophila melanogaster un modèle approprié pour les étudier.
Ainsi, les dépistages multidimensionnels que nous avons effectués ont permis d'identifier plus de 250 interacteurs de la protéine Gao drosophile. D'autres analyses bioinformatiques ont permis de détérminer plusieurs modules fonctionnels présentant chacun une activité cellulaire basique. Conservées de la drosophile à l'homme, ils sont sous régulation de la signalisation médiée par Gao. Nous avons ensuite sélectionné le trafic des vésicules pour une enquête plus approfondie.
Nous avons découvert que la sous-unité Gao de la protéine G hétérotrimérique se localise à la membrane plasmique (MP) mais également à l'appareil de Golgi, et ceci à travers les phylas et les types de cellules. L'action coordonnée de ces deux groupes est cruciale pour la formation de divers types d'excroissances cellulaires: le groupe de la MP de Gao induit, et le groupe de l'appareil Golgi alimente les protrusions croissantes de membrane par la distribution de matière stimulée à la MP. Nous avons également découvert la voie de signalisation évolutivement conservé: récepteur KDEL —> Gao —> Rabl / Rab3 à l'appareil Golgi, requis pour ce dernier.
A titre d'exemple du programme de développement, qui nécessite la communication cellule-cellule, nous avons étudié la morphogenèse de l'aile de la drosophile, ce qui comprend à la fois son développement au stade pupal et sa maturation après éclosion de la mouche. À l'aide du criblage génomique par ARNi, nous avons identifié plus de 200 gènes, dont la régulation négative spécifique dans les tissus a entraîné une altération de l'aile appelé « blisters » - une adhésion altérée des feuilles de l'aile dorsale et ventrale médiée par l'intégrine au stade pupal de la métamorphose de la drosophile étant-en la cause. Un examen approfondi des données de la littérature a élargi cette liste à 358 gènes. Avec l'utilisation des outils bioinformatiques, nous avons construit un grand réseau d'interaction, que nous appelons le « blisterome ». De façon remarquable, nos résultats révèlent non seulement des participants du processus médiés par l'intégrine, mais également des composants d'autres processus cellulaires, par ex. le cycle cellulaire, l'épissage d'ARN et le trafic vésiculaire. L'analyse des orthologues humains des composants du blisterome de la drosophile montre que de nombreux gènes liés à des diverses maladies peuvent contribuer à l'implémention de l'adhérence cellulaire.
Enfin, nous montrons également que la protéine extracellulaire Miniature contenant le domaine zona pellucida joue un rôle important dans les processus de maturation de l'aile post-éclosion déclenchée par la neurohormone bursicon. L'expansion de l'aile et l'apoptose épithéliale sont considérablement retardées chez les mutants avec perte de fonction de Miniature, et accélérées avec surexpression de Miniature dans les ailes. La protéine Miniature agit en amont de la protéine Gs hétérotrimère entrainant la transduction du signal de bursicon dans l'épithélium des ailes.
Dans l'ensemble, ce travail de thèse montre l'utilité des approches de la biologie des systèmes, telles que divers examen suivis d'une analyse bioinformatique pour découvrir la nature complexe des phénomènes de signalisation étudiés. Que ce soit l'interactome de la Drosophila Gao ou le programme de développement morphogénétique des ailes de la Drosophila, les approches de la biologie des systèmes ont fourni un aperçu général de l'architecture des propriétés des réseaux moléculaires et fonctionnels sous-jacents, ce qui a permis de se concentrer sur les particularités des composants.