Soutenance de thèse de Sanjay KARKI

Le neurotransmetteur sérotonine et les récepteurs de la sérotonine sont conservés au cours de l'évolution chez de nombreuses espèces. Ils ont été largement étudiés dans le contexte de l'activité neuronale et du comportement animal. Il existe de nombreux rapports sur la fonction non neuronale de la signalisation de la sérotonine, mais son mécanisme moléculaire reste inexploré, en particulier au cours du développement embryonnaire. Au cours de mon doctorat, j'ai utilisé des systèmes modèles d'embryons invertébrés (drosophile) et vertébrés (poussin) pour étudier le rôle potentiellement conservé au cours de l'évolution de la sérotonine et des récepteurs GPCR de la sérotonine pendant l'extension de l'axe et la régulation de la mécanique cellulaire. Nous avons découvert que le récepteur sérotonine 5HT2A du GPCR de la drosophile affecte l'extension du cordon germinatif et l'intercalation cellulaire. L'intercalation cellulaire, entraînée par la contractilité du MyoII jonctionnel polarisé en plan et par les flux de MyoII médian-apical polarisés en plan, conduit à l'extension du cordon germinatif. Nous avons donc examiné la distribution du MyoII et constaté que le 5HT2A active à la fois le MyoII jonctionnel et médian. De manière surprenante, le gain de la fonction 5HT2A entraîne une hyperpolarisation du MyoII jonctionnel. Nous avons étudié plus avant son mécanisme moléculaire et découvert qu'il signale la sérotonine de manière indépendante au niveau des jonctions et qu'il nécessite le module de polarisation précédemment connu composé des récepteurs Toll (Toll-2,6,8) et du GPCR d'adhésion Cirl/latrophiline. En outre, nous avons découvert une voie de signalisation non canonique de la 5HT2A dans l'activation de la voie Rho1. Plusieurs observations suggèrent un rôle quantitatif clé de la signalisation 5HT2A dans la régulation de la contractilité de l'actomyosine jonctionnelle. Nous avons donc étudié et découvert un autre récepteur de la sérotonine, le 5HT2B, qui affecte également l'extension du cordon germinatif et qui, de manière surprenante, inhibe l'activation de MyoII en réprimant la signalisation 5HT2A par hétérodimérisation (in vivo) et en favorisant l'endocytose. Collectivement, les sérotonines/récepteurs forment un module de signalisation distinct qui régule quantitativement les niveaux de MyoII, dont la polarisation est spécifiée par les récepteurs Toll et les GPCR Cirl. Afin de déterminer si l'activation de MyoII par la sérotonine/les récepteurs au cours de la morphogenèse est conservée au cours de l'évolution chez les vertébrés, nous avons examiné sa fonction dans l'épiblaste du poussin en cours de gastrulation. Les câbles supracellulaires contractiles d'actomyosine dirigent les flux tissulaires à grande échelle pendant la formation de la strie primitive chez les oiseaux. De façon remarquable, l'inhibition de la signalisation 5HT2A/2B entraîne une réduction frappante de l'activation de MyoII et la formation de câbles MyoII moins nombreux et plus courts. De manière cohérente, les flux tissulaires à grande échelle et la formation de stries primitives sont largement absents. Nous avons ainsi découvert une fonction mécanique de la signalisation sérotoninergique conservée au cours de l'évolution pendant l'extension de l'axe embryonnaire. Les fonctions mécaniques conservées au cours de l'évolution de la signalisation de la sérotonine, traditionnellement connue pour sa fonction dans le système nerveux, suggèrent la cooptation contextuelle évolutive d'un module de signalisation intracellulaire. Cela met en lumière l'action des forces évolutives dans la sélection et la réorientation d'un module de signalisation. Nous proposons que la signalisation de la sérotonine ait évolué principalement pour réguler la signalisation intracellulaire, la contractilité cellulaire et le comportement collectif des cellules, et qu'elle ait été adaptée ultérieurement dans le système nerveux pour la communication intercellulaire.

The neurotransmitter serotonin and serotonin receptors are evolutionarily conserved across many species. They have been extensively studied in the context of neuronal activity and animal behaviour. There are numerous reports on non-neuronal function of serotonin signalling, however, its molecular mechanism remain unexplored, in particular during embryonic development. During my PhD, I used invertebrate (Drosophila) and vertebrate (chick) embryo model systems to investigate the potentially evolutionarily conserved role of serotonin and GPCR serotonin receptors during axis extension and regulation of cellular mechanics. We found that the Drosophila GPCR serotonin receptor 5HT2A affects germ-band extension and cell intercalation. Cell intercalation, driven by planar polarized junctional MyoII contractility and planar polarized medial-apical MyoII flows leads to germ-band extension. Therefore, we examined MyoII distribution and found that 5HT2A activates both the junctional and medial MyoII. Surprisingly, gain of 5HT2A function results in hyper-polarization of junctional MyoII. We further investigated its molecular mechanism and uncovered that it signals serotonin independently at the junctions (serotonin signalling is permissive in the ectoderm) and requires the previously known polarizing module composed of Toll receptors (Toll-2,6,8) and adhesion GPCR Cirl/latrophilin. We discovered that 5HT2A signals independent of Cirl to form a signalling module that regulates the amplitude of Toll/Cirl dependent polarity signalling. Furthermore, we uncovered a non-canonical signaling pathway of 5HT2A in activating the Rho1 pathway. Several observations suggested a key quantitative role of 5HT2A signalling in regulating junctional actomyosin contractility. Therefore, we investigated and uncovered another GPCR serotonin receptor, 5HT2B, that also affects germ-band extension, and surprisingly, inhibits MyoII activation. We discovered that 5HT2B inhibits MyoII by repressing 5HT2A signalling through heterodimerization (in vivo, consistent with ex vivo reports) and promoting endocytosis. Collectively, serotonin, 5HT2A, and 5HT2B form a distinct signalling module that quantitatively regulates MyoII levels, whose polarization is specified by Toll receptors and the GPCR Cirl. To investigate whether the activation of MyoII by serotonin receptors signalling during morphogenesis is evolutionarily conserved in vertebrates, we examined it’s function in the gastrulating chick epiblast. Contractile supracellular actomyosin cables drive large-scale tissue flows during the primitive streak formation in birds. Remarkably, upon inhibition of 5HT2A/2B signalling, we found a striking reduction in the MyoII activation and fewer and shorter MyoII cables are formed. Consistently, large-scale vortex-like tissue flows and primitive streak formation are largely absent. Thus, we discovered an evolutionarily conserved function of serotonin signaling in regulating actomyosin contractility and tissue flows during embryonic axis extension. The evolutionarily conserved mechanical functions of serotonin signalling, conventionally known for its function in the nervous system, beautifully illustrates the evolutionary co-option of an intracellular signaling module contextually. This sheds light on the action of evolutionary forces in selecting and repurposing a signaling module. We propose that the serotonin signalling might have evolved primarily to regulate intracellular signalling, cellular contractility, and collective cell behaviour, and was later adapted in the nervous system for inter-cellular communication.