Soutenance de thèse de SANE Aditya
Titre de thèse
L'ultrastructure du sarcomère révélée par la technique de super-résolution DNA-PAINT
Revealing the ultra-structure of the sarcomere using DNA-PAINT super-resolution
Résumé de la thèse
Les muscles squelettiques, responsables du mouvement des animaux, sont constitués d'unités fonctionnelles répétitives caractéristiques des muscles striés : les sarcomères. Les sarcomères sont des assemblages de filaments d'actine et de myosine longs et ordonnés, reliés par la titine, la plus grande protéine humaine. Les réticulateurs d'actine, notamment Zasp52 et l'α-actinine, sont situés au niveau de la ligne Z, à la limite de chaque sarcomère. Les réticulateurs de myosine, comme l'obscurine, sont situés au niveau de la bande M, au centre du sarcomère. Si le mécanisme de contraction musculaire est bien caractérisé, l'ultrastructure des sarcomères et la manière dont le sarcomère se construit au cours du développement restent mal comprises. Au cours de ma thèse, j'ai combiné la méthode de super-résolution DNA-PAINT avec une bibliothèque de nanocorps nouvellement développés contre des domaines protéiques spécifiques des sarcomères afin de découvrir l'organisation ultrastructurale des sarcomères dans les muscles de vol indirects matures (objectif 1) et en développement (objectif 2) de la drosophile. Pour répondre à l'objectif 1, j'ai imagé les deux homologues de la titine de la drosophile, Sallimus et Projectin, dans le tissu musculaire avec une résolution de 5 nm . Nous avons découvert que Sallimus et Projectine sont disposés de manière linéaire dans le sarcomère, présentant une organisation en série : Sallimus a son extrémité N-terminale au centre de la ligne Z et s'étend sur toute la bande I de 90 nm, atteignant le filament de myosine avec son extrémité C-terminal ; Projectine couvre les 260 derniers nanomètres de la bande A, et sa région N-terminale chevauche la région C-terminale de Sallimus sur 10 nm. De plus, j'ai découvert que Zasp52 et α-actinine se concentrent dans une région de 90 nm centrée sur la ligne Z, définissant ainsi la zone réticulée des filaments d'actine, correspondant bien à la densité non caractérisée de la ligne Z observée précédemment par microscopie électronique. Cela suggère que Zasp52 et l'α-actinine sont disposés en plusieurs couches plutôt qu'en deux bandes distinctes, comme cela avait été supposé auparavant. Enfin, j'ai caractérisé l'orientation de l'Obscurine au niveau de la bande M : l'Obscurine s'étend sur 60 nm, son extrémité C-terminale se trouvant au centre de la bande M et son extrémité N-terminale étant orientée vers les domaines moteurs de la myosine, réticulant probablement les filaments de myosine voisins. La bande A, qui constitue la majeure partie du sarcomère, est composée de filaments épais de myosine. La Stretchine, une autre protéine de la bande A qui assure l'intégrité mécanique des sarcomères, occupe la quasi-totalité du filament de myosine, à l'exception des régions de l'Obscurin et de la Projectine. Ensemble, ces éléments définissent les dimensions du sarcomère du muscle de vol avec une résolution sans précédent. Afin d'étudier la fonction de ces subdivisions, nous avons inhibé la Projectine pour voir si le motif de Stretchine changeait, mais cela n'a pas été le cas, ce qui suggère que c'est une différence dans la structure de la bande A et non la Projectine qui empêche la Stretchine de recouvrir l'ensemble du filament épais. Dans l'objectif 2, je me suis attaché à mieux comprendre la morphogenèse du sarcomère au cours du développement. J'ai observé de vol en développement provenant de pupes choisies 48, 60 et 72 heures après le début de leur formation (APF). J'ai constaté que les assemblages de la ligne Z formés 48 heures après APF sont plus larges que 90 nm et que la bande I initiale est plus longue que dans le sarcomère adulte. Cela suggère que le disque Z se compacte pendant la maturation du sarcomère, probablement en améliorant l'organisation des composants protéiques. Ensemble, la super-résolution DNA-PAINT nous a permis de mieux définir la dimension du sarcomère dans les muscles de vol matures et en développement.
Thesis resume
Skeletal muscles, responsible for animal movement, are packed with the repeating functional unit characteristic of striated muscles: the sarcomere. Sarcomeres are super-assemblies of long and ordered actin and myosin filaments, linked by titin, the largest human protein. Actin crosslinkers, including Zasp52 and α-actinin, are located at the Z-disc, bordering each sarcomere, whereas myosin crosslinkers, including Obscurin, are located at the M-band, in the sarcomere center. While the muscle contraction mechanism is well characterized, the ultrastructure of sarcomeres and, in particular, how the sarcomere is built during development remains poorly understood. During my thesis, I combined the super-resolution method DNA-PAINT with a library of newly developed nanobodies recognizing specific sarcomere protein domains to uncover the ultrastructural organization of sarcomeres in mature (Aim 1) and developing (Aim 2) indirect flight muscles of Drosophila. To address Aim 1, I imaged muscle tissue at 5 nm resolution and first focused on the two Drosophila titin homologs Sallimus and Projectin. We found that Sallimus and Projectin are linearly arranged in the sarcomere, displaying a staggered organization: Sallimus locates its N-terminus at the center of the Z-disc and spans across the entire 90 nm I-band, reaching the myosin filament with its C-terminus; Projectin covers the last 260 nm of the myosin containing A-band, and its N-terminal region overlaps with the Sallimus C-terminal region over 10 nm at the end of the A-band. Furthermore, I found that Zasp52 and α-actinin concentrate in a 90 nm wide region centered on the Z-disc, which defines the cross-linked area of the actin filaments. This aligns well with the high Z-disc density observed previously with electron microscopy. It suggests that both Zasp52 and α-actinin are arranged in multiple layers, instead of 2 distinct bands as had been published before. Next, I characterized the orientation of Obscurin at the M-band: I found that Obscurin spans 60 nm with its C-terminus in the center of the M-band and the N-terminus facing towards the myosin motor domains, likely crosslinking neighboring myosin filaments. This defines the first oriented protein in the sarcomere M-band. Finally, I analyzed the distribution of myosin binding proteins in the A-band, which makes up the bulk of the sarcomere. In addition to my finding that Projectin points out from the end of the A-band into the I-band, I discovered that Stretchin, another A-band protein that provides mechanical integrity to the sarcomeres, occupies almost the entire myosin filament, except for the Obscurin and Projectin regions. Together, this defines the dimensions of the flight muscle sarcomere at unprecedented resolution. To investigate the function of these subdivisions, we knocked down Projectin to see if the Stretchin pattern changes. However, this is not the case, suggesting a difference in A-band structure and not Projectin per se that prevents Stretchin from decorating the entire thick filament. During Aim 2, I set out to better understand sarcomere morphogenesis during development. Thus, I performed DNA-PAINT experiments using developmental flight muscles from 48, 60, and 72 h after puparium formation (APF) pupae. Interestingly, I found that the initial Z-disc assemblies formed at 48 h APF are broader than 90 nm, and the initial I-band is longer than in the adult sarcomere. This suggests that the Z-disc compacts during sarcomere maturation, possibly by better ordering the protein components. Notably, during this phase, the force across the I-band titin Sallimus reduces and its isoform composition changes, as a shorter Sls isoform is expressed during flight muscle sarcomere maturation. At the same time, the length of the actin and myosin filaments and their overlap continuously increase. Together, DNA-PAINT super-resolution enabled us to better define the sarcomere dimension in mature and developing flight muscles.