Déterminants physiques et moléculaires de la fonction nucléolaire en réponse aux signaux mécaniques // physical and molecular determinants of nucleolar function in response to mechanical cues

Topic description

Les nucléoles, organites subnucléaires, jouent un rôle central dans la biogenèse des ribosomes. Au sein de leurs sous-compartiments se déroulent les étapes de la transcription de l'ADN ribosomique (ADNr), du traitement de l'ARN ribosomique (ARNr) et de l'assemblage de l'ARNr avec les protéines ribosomiques. Fait intéressant, les nucléoles sont des organites dépourvus de membrane présentant les propriétés de condensats biomoléculaires et se formant par séparation de phase liquide–liquide (LLPS). Cette absence de membrane permet un échange rapide de signaux moléculaires et biophysiques entre le nucléole et son environnement, soutenant ainsi une fonction supplémentaire du nucléole : sa capacité à répondre à divers stress environnementaux, tels que les stress génotoxiques, oxydatifs ou osmotiques. Quelques études récentes suggèrent également que les nucléoles répondent aux signaux mécaniques (Shetty et Dolega, Biology of the Cell, ).

Nos travaux récents confirment que le stress mécanique induit d'importantes adaptations structurelles au niveau des nucléoles, accompagnées d'altérations fonctionnelles (manuscrit en préparation). Nous avons établi la première description moléculaire de la mécano-adaptation nucléolaire à une compression mécanique, basée sur la translocation de la nucléoline depuis la région promotrice de l'ADNr, entraînant une diminution de la transcription de l'ADNr et un traitement aberrant de l'ARNr. De plus, nous avons montré que cette translocation de la nucléoline est déclenchée par une perte de volume nucléaire associée à la compression mécanique.

Dans la thèse proposée, nous cherchons à comprendre comment les modifications des propriétés biophysiques du condensat biomoléculaire nucléolaire — telles que la viscosité, le molecular crowding et les frontières de phase internes — régulent les premières étapes de la biogenèse des ribosomes. Nous étudierons en particulier comment les signaux mécaniques affectent différemment les sous-compartiments nucléolaires (FC, DFC, GC), dont l'organisation stratifiée et la dynamique régie par la LLPS peuvent répondre spécifiquement aux déformations mécaniques. Le stress mécanique pourrait également induire des transitions de phase au sein du condensat nucléolaire, faisant évoluer son état matériel vers des comportements plus liquides, gélifiés ou solides, avec des conséquences potentielles sur le partitionnement moléculaire, l'efficacité de la transcription de l'ADNr et le traitement de l'ARNr. L'intégration de ces mécanismes nous permettra d'explorer comment la structure et la fonction du nucléole s'adaptent aux contraintes physiques.

Enfin, la mécanosensibilité nucléolaire étant de plus en plus associée à des contextes physiopathologiques, nous examinerons sa pertinence dans des pathologies telles que le cancer, où l'augmentation des contraintes compressives liées à la croissance tumorale modifie les propriétés mécaniques du noyau et l'organisation nucléolaire.

Le projet combinera des approches de caractérisation biologique et biophysique avec des techniques avancées de microscopie, ainsi que le développement méthodologique pour des mesures nucléolaires in vivo, incluant le suivi de particules uniques, le suivi de protéines uniques et la quantification de masse sèche. L'ensemble de ce travail devrait permettre de caractériser précisément la rétroaction bidirectionnelle entre les processus biologiques nucléolaires et les propriétés matérielles du nucléole, et de situer cette interaction dans un contexte physiopathologique.
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Nucleoli, sub-nuclear organelles, play a primary role in ribosome biogenesis. Within their sub-compartments occur the steps of ribosomal DNA (rDNA) transcription, ribosomal RNA (rRNA) processing, and assembly of rRNA with ribosomal proteins. Interestingly, nucleoli are membrane-less organelles that exhibit the properties of biomolecular condensates and form through liquid–liquid phase separation (LLPS). Their membrane-less nature enables rapid exchange of molecular and biophysical signals between the nucleolus and its environment, supporting an additional function of nucleoli: the capacity to respond to environmental stresses, such as genotoxic, oxidative, and osmotic stresses. A few reports from the literature also suggest that nucleoli respond to mechanical cues (Shetty and Dolega, Biology of the Cell, ).

Our recent work confirms that mechanical stress induces significant structural adaptations within nucleoli, accompanied by functional alterations (in preparation). We have established the first molecular description of nucleolar mechano-adaptation to mechanical compression, based on the translocation of nucleolin from the rDNA promoter region, resulting in decreased rDNA transcription and aberrant rRNA processing. Moreover, we have shown that nucleolin translocation is triggered by nuclear volume loss associated with mechanical compression.

In the proposed thesis, we aim to understand how changes in the biophysical properties of the nucleolar biomolecular condensates—such as viscosity, molecular crowding, and internal phase boundaries—regulate the initial steps of ribosome biogenesis. In particular, we will investigate how mechanical cues differentially affect the distinct nucleolar subcompartments (FC, DFC, GC), whose layered organization and LLPS-driven dynamics may respond specifically to mechanical deformation. Mechanical stress may also induce phase transitions within the nucleolar condensate, shifting its material state toward more liquid-like, gel-like, or solid-like behaviors, with potential consequences for molecular partitioning, rDNA transcription efficiency, and rRNA processing. These mechanisms will allow us to explore how nucleolar structure and function adapt to physical constraints. Finally, because nucleolar mechanosensitivity is increasingly linked to pathological contexts, we will examine the physiopathological relevance of nucleolar mechanical adaptation—particularly in cancer, where increased compressive stress due to tumor growth alters nuclear mechanics and nucleolar organization.

The project will combine biological and biophysical characterization with advanced microscopy approaches and methodological developments for live nucleolar measurements, including single-particle tracking, single-protein tracking, and dry-mass quantification. Altogether, this work is expected to precisely characterize the bidirectional feedback between nucleolar biological processes and nucleolar material properties, and to position this interplay within a physiopathological context.
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Début de la thèse : 01/10/
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Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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