Soutenance de thèse de Alain GARCIA DE LAS BAYONAS

La morphogenèse tissulaire résulte du changement de forme des cellules qui composent un tissu. Ces déformations sont coordonnées dans le temps et l’espace par un réseau cortical contractile d’actomyosine. L’activation et la polarisation de ce réseau sont deux éléments clés et leur régulation différentielle amène à des processus morphogénétiques distincts. Ainsi, l’invagination du mésoderme présomptif et l’extension de l’ectoderme ventro-latéral chez l’embryon de Drosophile sont contrôlées par les mêmes moteurs moléculaires. Comprendre la nature de ces déformations revient donc à comprendre comment le réseau cortical d’actomyosine s’organise dans ces contextes. L’accumulation médio-apicale de la myosine-II conduit à la constriction apicale des cellules du mésoderme et à leur internalisation. Deux populations de myosine-II, une médio-apicale et l’autre polarisée aux jonctions, coordonnent l’intercalation des cellules de l’ectoderme. La voie canonique Rho1-Rok active la myosine-II dans ces deux tissus. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à comprendre les bases moléculaires du contrôle quantitatif et spatial de la voie de signalisation Rho1 durant la morphogenèse épithéliale. Nous avons montré dans un premier temps qu’un nouveau GPCR, Smog, active la signalisation Rho1 dans le mésoderme et l’ectoderme. Son activité conjuguée à celle d’autres GPCRs assure un contrôle quantitatif de l’activation de Rho1 et donc de la myosine-II dans les deux territoires embryonnaires. Nous avons par la suite découvert que les protéines G hétérotrimériques (Gα,Gβγ), en aval des GPCRs, activent la myosine-II dans les deux tissus. De manière remarquable, les protéines G régulent la myosine-II dans des compartiments cellulaires distincts dans l’ectoderme. Ainsi, Gα12/13 active la myosine-II médio-apicale alors que Gβ13F-Gγ1 contrôlent la myosine-II médio-apicale et jonctionnelle. L’activation modulaire de la myosine-II par les protéines G suggérait un contrôle spatial de l’activité Rho1 alors difficile à comprendre. La seconde partie de cette thèse a donc été consacrée à la dissection des mécanismes moléculaires permettant de régionaliser l’activité de Rho1 aux jonctions et en médio-apical. Nous avons ainsi mis en évidence deux RhoGEFs, RhoGEF2 et une nouvelle RhoGEF Wireless/P114RhoGEF, qui contrôlent l’activité de Rho1 en aval des protéines G. RhoGEF2 active Rho1 en médio-apical sous le contrôle de Gα12/13 alors que Wireless/P114RhoGEF régule spécifiquement l’activité de Rho1 aux jonctions sous la dépendance de Gβ13F-Gγ1. En contraste avec RhoGEF2 qui est présente en apical et aux jonctions cellulaires, Wireless/P114RhoGEF est strictement jonctionnelle où elle localise avec Gβ13F-Gγ1. Finalement, nous avons montré que Wireless/P114RhoGEF n’est pas recrutée aux jonctions dans le mésoderme. L’absence de cet activateur jonctionnel de Rho1 pourrait être la cause d’une absence de myosine-II aux jonctions dans le mésoderme. En résumé, deux voies de signalisation initiées par des GPCRs et transduitent par leurs protéines G contrôlent deux RhoGEFs qui activent Rho1 de façon complémentaire dans l’ectoderme. L’absence de cette RhoGEF jonctionnelle dans le mésoderme en synergie avec d’autres régulateurs tissu-spécifiques viendrait favoriser l’activation de Rho1 dans le compartiment apical.

Cell shape changes underlying tissue morphogenesis are controlled by dynamic actomyosin networks. The extent of activation and polarization of these contractile networks is key to understand the nature of cell changes and thereby tissue remodeling. Invagination of the presumptive mesoderm and the extension of the ventro-lateral ectoderm in the Drosophila embryo are both controlled by myosin-II molecular motors. Thus, tissue specific regulators of actomyosin organization account for the different nature of the two morphogenetic events. Medial-apical accumulation of myosin-II drives cell apical constriction in the mesoderm. In contrast, two pools of myosin-II, a medio-apical pool and a planar-polarized junctional one, control polarized cell intercalation in the ectoderm. The Rho1-Rok core pathway activates myosin-II in both tissues. Starting this thesis, we aimed to understand the molecular basis of quantitative and spatial control over Rho1 signaling during epithelial morphogenesis. First, we found a new GPCR, Smog, which activates Rho1 signaling in the ectoderm and in the mesoderm. We next discovered that downstream heterotrimeric G proteins (Gα,Gβγ) activate myosin-II in both tissues. Notably, heterotrimeric G proteins are able to activate myosin-II in distinct subcellular compartments in the ectoderm. Gα12/13 activates medial-apical myosin-II while Gβ13F-Gγ1 subunits control both medial-apical and junctional myosin-II. The modular activation of myosin-II by G proteins suggested that Rho1 activity was regionalized by unknown activators. Therefore, in the second part of this thesis, we then dissected the molecular mechanisms restricting Rho1 activity to the medial-apical and junctional domains in the ectoderm. We found that two RhoGEFs, RhoGEF2 and a previously uncharacterized RhoGEF Wireless/P114RhoGEF, control Rho1 activity downstream of G proteins. RhoGEF2 activates medial-apical Rho1 under control of Gα12/13 while Gβ13F-Gγ1-dependent activation of Rho1 at junctions requires Wireless/P114RhoGEF. RhoGEF2 is present both at junctions and at the apical membrane. In contrast, Wireless only localizes at junctions together with Gβ13F-Gγ1. Finally, we showed that Wireless/P114RhoGEF is missing at junctions in the mesoderm. Therefore, the absence of this junctional Rho1 activator may account for the absence of myosin-II junctional activity in the mesoderm. Collectively, GPCRs shape Rho1 activity through distinct biochemical modules in the ectoderm. Heterotrimeric G proteins transduce the signal by activating two complementary RhoGEFs apically and at junctions. Absence of junctional Wireless/P114RhoGEF together with tissue-specific apical activators may bias apical Rho1 activity in the mesoderm.