Élucidation des mécanismes moléculaires de la ségrégation inégale des lysosomes lors de la division cellulaire asymétrique // Uncovering the molecular mechanism of unequal lysosome segregation during asymmetric cell division

Les lysosomes, longtemps considérés comme des organites dégradatifs, sont aujourd'hui reconnus comme des régulateurs majeurs de la signalisation, du métabolisme et du destin cellulaire, nécessitant un contrôle strict de leur abondance. Un exemple marquant est la division cellulaire asymétrique (ACD), au cours de laquelle une cellule souche génère deux cellules filles distinctes. Dans les cellules souches de mammifères, les lysosomes sont répartis de manière inégale [1,2,3]: la cellule fille qui en hérite le plus conserve son identité de cellule souche, tandis que l'autre est engagée vers la différenciation. Ce mécanisme permet le maintien des populations de cellules souches tout en générant des cellules différenciées, un processus essentiel au développement, dont la dérégulation est associée à la tumorigenèse [4].

Le transport des lysosomes en interphase est bien connu : ils sont déplacés par des moteurs moléculaires le long du cytosquelette, ce qui permet leur positionnement dans différentes régions de la cellule. En revanche, la manière dont ce transport est réorganisé pendant la mitose pour assurer une répartition inégale reste inconnue. Ce projet vise à élucider les mécanismes moléculaires contrôlant le transport polarisé des lysosomes lors de l'ACD chez les mammifères.

L'étude de l'ACD chez les mammifères est difficile, car ce processus est rare et limité à des contextes spécifiques in vivo. De plus, les cellules souches en culture ne réalise pas de division asymétrique, car ça dépend de signaux de rupture de symétrie issus de l'environnement tissulaire [5]. Ces signaux induisent la relocalisation de protéines de polarité intrinsèques telles que le complexe PAR (Par3/Par6/aPKC) sur un seul côté de la cellule. Cette polarité corticale agit comme un régulateur central de l'ACD, conduisant à la formation de deux cellules filles de composition différente, mais les mécanismes sous-jacents restent mal compris chez les mammifères.

Pour surmonter ces limitations, ce projet s'appuie sur un système permettant de reconstituer l'ACD en culture via une polarisation corticale synthétique [6,7]. La polarisation du complexe PAR suffit à reproduire des caractéristiques clés de l'ACD, notamment l'orientation du fuseau, la formation d'un fuseau central asymétrique [6] et la partition inégale des lysosomes, y compris dans des cellules différenciées. L'utilisation de fibroblastes murins compatibles avec des approches à haut débit permet une dissection précise et quantitative des mécanismes impliqués, qui seront abordés selon deux objectifs majeurs:

L'objectif 1 visera à identifier l'architecture du cytosquelette et la machinerie motrice responsables du transport des lysosomes pendant la division. L'imagerie des lysosomes en combinaison avec l'actine et les microtubules permettra d'identifier les structures impliquées, tandis que des perturbations fonctionnelles et des approches de déplétion par siRNA permettront d'identifier les moteurs et adaptateurs requis.

L'objectif 2 visera à comprendre comment la polarité corticale oriente ce transport. Les composants du complexe PAR et leurs mutants seront ciblés au cortex afin d'identifier les signaux clés. Des approches de marquage de proximité permettront d'identifier les liens moléculaires avec la machinerie de transport. Ces mécanismes seront testés dans des embryons murins préimplantatoires, en collaboration avec le laboratoire Maître (Institut Curie), afin d'évaluer leur pertinence physiologique et l'influence éventuelle d'autres signaux de polarité présents dans le tissu.

Ce projet permettra ainsi de comprendre comment la polarité corticale contrôle le transport des lysosomes pour générer une asymétrie intracellulaire lors de la division des cellules souches. Ces travaux apporteront un cadre mécanistique pour comprendre la diversification cellulaire et pourraient éclairer les mécanismes impliqués dans certaines pathologies, notamment les maladies du développement et le cancer.
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Lysosomes, long viewed as solely degradative organelles, are now also recognized as key regulators of signalling, metabolism, and cell fate. This requires tight control of their abundance. A striking example is asymmetric cell division (ACD), the division of a stem cell into two distinct daughters. In mammalian stem cells, lysosomes are unequally partitioned such that the daughter inheriting more lysosomes retains stem cell identity, while the other is primed for differentiation [1,2,3]. This mechanism sustains stem cell pools while generating diverse progeny – critical for embryo and tissue development -, and dysregulation of this balance is linked to tumorigenesis [4].

Yet, although lysosome transport during interphase is well understood - driven by distinct microtubule- and actin-based motors -, how polarized lysosome transport is controlled during mitosis remains unknown. This project aims to uncover the molecular mechanisms governing unequal lysosome inheritance during mammalian ACD.

Dissecting ACD in mammals is challenging, as it is rare and temporally restricted in vivo. Moreover, due to the dependence on symmetry breaking cues from the tissue environment, stem cells in culture do not undergo ACD. This is because, across organisms, symmetry breaking cues, e.g. in the form of cell-cell contacts, induce re-localization of intrinsic polarity proteins such as the PAR-complex (Par3/Par6/aPKC) to only one side of the dividing stem cell [5]. Asymmetrically localized cortical PAR functions as a master regulator of ACD, that ultimately leads to the generation of two daughter cells with different contents, yet how this is achieved remains elusive in mammals.
To overcome these limitations, this PhD project builds on a system that reconstitutes ACD in cultured mammalian cells through engineering synthetic cortical polarization via a de novo-designed 2D protein material [6,7]. Polarization with the PAR-complex is sufficient to recapitulate key features of ACD, including spindle orientation, asymmetric central spindle formation [6], and unequal lysosome partitioning (unpublished data from the host lab), even in differentiated cells. Using mouse fibroblasts amenable to high-throughput analysis, this system enables precise and scalable dissection of lysosome segregation mechanisms, which will be performed within 2 key aims:

Aim 1 will define the cytoskeletal architecture and specific motor machinery driving lysosome transport during division. Correlative imaging of lysosomes with actin and microtubules will identify the tracks guiding lysosome movement. Functional perturbations combined with candidate-based siRNA depletion will identify the motor proteins and adaptor complexes required for lysosome transport during division.

Aim 2 will determine how cortical polarity polarizes lysosome transport. Using the synthetic system, individual PAR components and functional mutants will be targeted to the cortex to define the key cortical signals. Proximity-labeling will identify the molecular link between cortical polarity proteins and the lysosome transport machinery. To place these findings in a physiological context, the identified mechanisms will be tested in pre-implantation mouse embryos in collaboration with the Maitre Lab (I. Curie). Using available PAR mutant mouse lines and perturbation of the identified transport machinery, the PhD student will determine whether PAR-dependent mechanisms act exclusively or in concert with additional polarity signals that are present in the tissue.

Together, this project will define how cortical polarity is translated into directed lysosome transport to generate intracellular asymmetry during stem cell division. Given the central role of lysosome-dependent signalling in stem cell regulation, and its implication in developmental disorders and cancer, these findings will shed new light onto how disrupted intracellular organization contributes to disease.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Institut Curie - PSL

657 Sciences du Vivant

Le/la candidat(e) devra posséder une solide formation en biologie cellulaire et moléculaire, avec un intérêt marqué pour la dynamique intracellulaire. Une expérience préalable en culture cellulaire et en microscopie confocale sera fortement appréciée. Le/la candidat(e) devra également faire preuve de rigueur, d'autonomie et d'un esprit critique développé, tout en étant capable de travailler en équipe dans un environnement collaboratif. Une forte motivation pour aborder des approches interdisciplinaires à l'interface entre biologie cellulaire et biologie synthétique est attendue.
The candidate should have a strong background in cell and molecular biology, with a particular interest in intracellular dynamics. Prior experience in cell culture and confocal microscopy will be highly advantageous. The candidate should demonstrate rigor, independence, and critical thinking, while also being able to work effectively in a collaborative team environment. Strong motivation to engage in interdisciplinary approaches at the interface between cell biology and synthetic biology is expected.