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Thèse Année : 2019

Role of ATG16L1-IFT20 crosstalk in autophagy and primary cilium interplay

Étude du complexe ATG16L1/IFT20 dans le dialogue entre la machinerie autophagique et le cil primaire

Asma Boukhalfa
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1223164
  • IdRef : 24542007X

Résumé

Primary cilia are microtubule-based structures located at the cell surface of many cell types and directly participating in integration of mechanical and chemical stresses related signaling. In parallel, the macro-autophagy pathway is a lysosomal degradative system that allows cells to adapt to various stress situations. In this work, we investigated the molecular and the functional relationship between autophagy and primary cilium. Indeed, recent literature show that many stress situations that trigger primary cilium signaling or induce ciliogenesis also stimulates autophagy. Moreover, previous work of our laboratory suggested a direct crosstalk between primary cilium and autophagy pathways in response to serum deprivation by a dual mobilization of ATG16L1 (a key player in autophagy regulation) and IFT20 (an essential regulator of primary cilium associated trafficking). In this context, the precise goal of my PhD project was to characterize the role of ATG16L1/IFT20 mobilization in the complex interplay between autophagy and primary cilium in response to nutritional stress, by analyzing the physiological conditions, and protein domains, that regulate ATG16L1/IFT20 complex. We first showed that IFT20 and ATG16L1 are part of the same protein complex independently of the ciliogenesis status but that they colocalized only at centrosome, basal body, primary cilium and Golgi structures. Moreover, ATG16L1 engagement with IFT20 occurs independently of key regulators of autophagy such as ATG3 and ATG5 (the ATG16L1 direct partner in autophagosome biogenesis sequence) suggesting that the ATG16L1 mobilization we observed is not related to its canonical implication in autophagy. Interestingly, we identified the Sec8 protein (from the exocyst post-Golgi trafficking machinery) as a new partner in the IFT20/ATG16L1 complex, but only when cells are engaged in primary cilium biogenesis. We finally showed that this ATG16L1/ITF20 interaction was mediated by the ATG16L1 WD40 domain and by a newly identified motif in the IFT20 protein. In addition, we showed that invalidation of ATG16L1 expression induced an increase of primary cilium length and that ATG16L1 participates, directly or indirectly, in ciliary signaling (like hedgehog signaling pathway) to control primary cilium functions and stress response. To go further in the role of ATG16L1/IFT20 complex in primary cilium signaling in response to stress, we investigated a putative link between ATG16L1 and phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) turnover, a key lipid in membrane trafficking also known to participate in primary cilium membrane dynamics. Interestingly, we show that absence of ATG16L1 alters the phosphoinositides equilibrium at primary cilium since PI4P is no longer present on the ciliary membrane, while phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PI4,5P2,) which is normally excluded from cilia structures, was found to be present on abnormal cilia observed in ATG16L1 KO cells. We finally show that INPP5E, the Golgi to PC phosphatase responsible for PI4P production from PI4,5P2 membranes, was a partner of ATG16L1/IFT20 complex during ciliogenesis and that destabilization of the this complex alters the proper INPP5E targeting to primary cilium (and thus affecting its local function), highlighting the key role of ATG16L1 in PI4P production and trafficking at primary cilium. In conclusion, the findings presented in my thesis manuscript suggest a non-canonical role of ATG16L1 in targeting and trafficking to PC structure and strongly support the idea that IFT20-ATG16L1 crosstalk has a functional role in the control of cilium homeostasis.
Le cil primaire est une structure présente à la surface de nombreux types cellulaires et participant directement à l'intégration de la signalisation associée aux contraintes mécaniques et chimiques. Par ailleurs, la voie macro-autophagique est un système de dégradation lysosomal qui permet aux cellules de s'adapter à diverses situations de stress. Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié la relation moléculaire et fonctionnelle entre l'autophagie et le cil primaire. En effet, la littérature récente montre que de nombreux types de stress cellulaire associés la signalisation du cil primaire et à la ciliogenèse stimulent également la machinerie autophagique. En outre, des travaux issus de notre équipe ont suggéré une connexion directe entre les voies ciliaire et autophagique, en réponse à la privation de sérum, par une mobilisation de vésicules transportant ATG16L1 (un acteur clé de la voix de l'autophagie) et d' IFT20 (un régulateur essentiel du trafic vésiculaire lié au cil primaire). Dans ce contexte, l'objectif précis de mon projet de doctorat était de caractériser le rôle de la mobilisation du complexe ATG16L1/IFT20 dans le dialogue encore mal caractérisé entre autophagie et le cil primaire en réponse au stress nutritionnel. Dans ce contexte, nous avons analysé les conditions physiologiques et les domaines protéiques qui régulent le complexe ATG16L1/IFT20, ainsi que l'aspect fonctionnel de l'interaction entre ces deux protéines au niveau de la ciliogenèse. Nous avons tout d' abord pu montrer qu'IFT20 et ATG16L1, qui colocalisent au niveau du centrosome, du cil primaire et du Golgi, interagissent indépendamment de l'état de la ciliogenèse. De façon originale, l'interaction entre ATG16L1 et IFT20 se produit également en absence des principaux régulateurs de l'autophagie (tels que ATG3 ou ATG5) suggérant que la mobilisation ATG16L1 que nous observons n'est pas liée à son implication classique dans l'autophagie. Nous avons de plus identifié la protéine Sec8 (associée au complexe Exocyst, impliqué dans le trafic post-Golgien) comme un nouveau partenaire dans le complexe IFT20/ATG16L1, mais seulement lorsque les cellules sont engagées dans la biogénèse du cil primaire. Notre étude nous a permis de démontrer que l'interaction entre ATG16L1 et ITF20 est dépendante du domaine WD40 d' ATG16L1 et qu'elle nécessite un motif nouvellement identifié dans la protéine IFT20. Enfin, nous avons montré que l'invalidation de l'expression d' ATG16L1 induit une augmentation de la longueur du cil primaire et affecte la signalisation ciliaire en réponse au stress. De façon intéressante, l'absence d'ATG16L1 altère la présence du PI4P au cil primaire (un lipide clé dans le trafic membranaire, également connu pour participer à la dynamique du cil primaire) n'est plus présent sur la membrane ciliaire, tandis que PI4,5P2, qui est normalement exclu des structures ciliaires, est artificiellement adressés aux cils anormaux observés dans les cellules ATG16L1 KO. Nous montrons enfin que la phosphatase INPP5E, localisée au niveau du Golgi et du cil primaire et responsable de la production PI4P à partir du PI4,5P2, est un partenaire du complexe ATG16L1/IFT20 au cours de la ciliogenèse et que la déstabilisation du complexe altère le ciblage de cette enzyme vers le cil primaire et affecte donc sa fonction locale. Ces résultat soulignent le rôle, jusqu'alors inconnu, d'ATG16L1 dans la production et le trafic du PI4P au niveau du cil primaire. Ainsi, les résultats présentés dans mon manuscrit de thèse suggèrent un rôle non canonique d'ATG16L1 dans le ciblage et le trafic vésiculaire vers le cil primaire et soutiennent l'idée que le dialogue entre IFT20 et ATG16L1 joue un rôle fonctionnel dans le contrôle de l'homéostasie cellulaire via le cil primaire.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03971342 , version 1 (03-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03971342 , version 1

Citer

Asma Boukhalfa. Role of ATG16L1-IFT20 crosstalk in autophagy and primary cilium interplay. Cellular Biology. Université Paris Cité, 2019. English. ⟨NNT : 2019UNIP5041⟩. ⟨tel-03971342⟩
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