Production de forces par le cytosquelette d'actine : mécanismes et régulation par le micro-environnement

par Timothée Vignaud

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Manuel Théry.

Soutenue le 15-11-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physiologie cellulaire végétale (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Bertrand Fourcade.

Le jury était composé de Pekka Lappalainen, Ulrich S Schwarz, Sanjay Kumar.

Les rapporteurs étaient Atef Asnacios, Ewa Paluch.


  • Résumé

    Les travaux présentés se sont intéressés à la régulation des forces produites par le cytosquelette d'actine. Le rôle primordial joué par le microenvironnement a été au centre de nos investigations. L'étude de ces phénomènes a nécessité le développement de techniques innovantes. La première permet le contrôle en temps réel de la forme de la cellule. Elle utilise un laser UV pulsé pour modifier le microenvironnement adhésif de la cellule et contrôler les zones disponibles pour son étalement. La seconde est une amélioration d'une technique existante au sein du laboratoire. Il s'agit de produire des îlots de protéines d'adhésions, de forme contrôlée, sur un substrat déformable d'acrylamide. Ces supports permettent le contrôle de la taille de la cellule et de son organisation interne. En outre, l'élasticité de l'acrylamide permet la mesure des forces générées par la cellule. La dernière technique a combiné le patterning sur acrylamide avec l'ablation laser. Les forces produites au sein d'une structure particulière du cytosquelette ont ainsi pu être estimées. Deux grands mécanismes de régulation des forces ont pu être mis en évidence. L'utilisation de techniques de spectrométrie de masse, de mesure de forces et de biologie moléculaire a permis de mettre en évidence la coopération entre les différents types d'intégrines au niveau de l'adhésion cellulaire. Cette coopération permet un couplage entre l'architecture du cytosquelette et la quantité de moteurs moléculaires mettant en tension ces structures. Ces mécanismes sont primordiaux pour l'adaptation de la cellule à la rigidité de son environnement. Ce sont les structures d'actine qui produisent les forces qui seront transmises au niveau des adhésions. La corrélation entre la taille de ces structures et les forces générées est encore mal caractérisée. La relation entre taille des fibres de stress et répartition des forces au sein de la cellule a pu être étudiée et suggère que la force produite par une fibre de stress augmente avec sa longueur. Une étude systématique de la contractilité des cellules, sur des patterns de différentes tailles, a permis de montrer la relation entre la taille des fibres de stress et la force générée. Une relation biphasique a ainsi été mise en évidence. Quand la taille de la cellule augmente, la force générée au sein des fibres de stress commence par augmenter avant de diminuer au delà d'une longueur critique. Cette longueur correspond également à la taille maximale observée sur des cellules libres de s'étaler sans contraintes. Les résultats obtenus suggèrent que cette chute de force est liée à une augmentation excessive du ratio myosine/actine qui ne permet plus une production de force efficace. Le mécanisme pourrait faire intervenir le désassemblage des structures d'actine par la myosine ou la quantité insuffisante d'actine pour permettre un travail efficace des moteurs moléculaires. La rencontre de ces deux mécanismes permet de définir le champ des possibles pour la cellule en terme de contractilité. Le mécanisme de chute de forces observé n'a pas pu être expliqué à ce jour mais nous travaillons activement pour qu'il le soit dans les mois à venir. Ce phénomène aura sans doute un grand rôle à jouer dans l'intégrité mécanique des tissus et les phénomènes de migration. La chute de force au delà de la longueur critique permet en effet de déstabiliser les adhésions et pourrait être à l'origine de la rétraction de la cellule dans la migration ou du détachement d'une cellule de ces voisines dans le cas d'un tissu sous forte contraintes. Ce détachement protégerait ainsi la cellule d'un déchirement sous l'effet de forces trop importantes.

  • Titre traduit

    Force production in actin cytoskeleton : mechanisms and micro-environmental regulation


  • Résumé

    Our work has been focused on the regulation of the forces generated by the actin cytoskeleton. We have more precisely studied the role of the cellular microenvironment in this process. It was necessary to overcome some technical challenges to study these mechanisms. We developed two new techniques. The first one allows for the dynamic control of cell shape. A pulsed UV laser is used to modify the adhesive microenvironment around the cell and to create new area available for cell spreading. The second technique is an improvement of an existing technique from the laboratory. It consists in producing ECM protein islands on a elastic acrylamide substrate. This substrate provides the control of cell shape and internal organization. Plus, the elasticity of the substrate is compatible with traction forces measurements. The last technique combines acrylamide micropatterning and laser ablation of intracellular actin structures. Thus, the forces produced by a particular intracellular structure can be estimated. Two keys mechanisms of force regulation were shown. The use of mass spectrometry, traction force microscopy and molecular biology made it possible to study the interaction between different integrins in the adhesion complex. Cooperation was shown. It allows for the coupling between the architecture of the cytoskeleton and the amount of molecular motors in action. This process is necessary for the adaptation of cell forces to substrate stiffness. Actin structures are the one responsible for force production. This force can then be transmitted to the environment through adhesions.. The link between the length of actin fibers and the force produced was more precisely studied. The results showed a correlation between stress fibers length and the force generated inside it. This was true only above a certain critical value. After that, the force was rather decreasing with increasing fiber length. This critical length corresponds to the maximal length of cell axis on infinite 2D substrate. Our main hypothesis is that a too high myosin/actin ratio will block the proper force production/transmission within the fiber. Disassembly of actin by myosin or limited pool of actin are the two explanations we are currently following. The combination of these two-regulation process put brakes on force production by the cell. Above a certain length, the force produced is decreasing. This decreases in turn the strength of the adhesions anchored to these fibers. This will destabilize the adhesions and causes cell retraction The interplay between the regulation by the adhesion and the production of forces within the fiber set some limits on the level of forces produced by the cell. These processes are likely to be modified in a pathological context and can lead to tumor formation. They also protect the cell from being destroyed by stretching. If the length/stretch is too high, the cell will decrease its forces and detach from neighboring cells. This provide a system protecting the cell from being destroyed by massive deformations within the body


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