Biomécanique du développement par l'analyse d'images : La dynamique de l'actomyosine pulsatile pendant la fermeture dorsale de la Drosophile

Developmental Biomechanics Through Image Analysis : The Dynamics of Pulsatile Actomyosin During Drosophila Dorsal Closure

• Auteur / Autrice : Nilankur Dutta
• Direction : Jocelyn Etienne, Pierre Recho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Ohayon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Jesus Ledesma-Carbayo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Gallet, François Nédélec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie du développement

Milieux continus, Mécanique des

Fluides complexes

Mots clés libres

Fluides complexes

Mécanique des milieux continus

Biologie du développement

Complex fluids

Developmental biology

Continuum mechanics

Résumé

Il est maintenant établi que les aspects mécaniques de l'embryogenèse sont indispensables à sa compréhension. L'effet des forces mécaniques dans le développement des tissus et la différenciation cellulaire a été démontré tant pour la compation de la morula, la gastrulation que l'organogenèse. On sait également que les cellules répondent à des stimuli mécaniques. La Drosophile melanogaster a été établie en tant qu'organisme modèlepour l'étude du rôle de la mécanique dans le développement grâce à desétudes démontrant un contrôle mécanique de la forme cellulaire, desmotifs tissulaires et de la morphogenèse dans différents contextes, telsque la formation du sillon ventral ainsi que l'extension et larétraction de la bande germinale. Les contraintes mécaniques généréesdans le cytosquelette et répercutées dans les interactionscellule-cellule ou cellule-matrice produisent des effets globaux dans ledéveloppement. Plus précisément, le rôle clé du cortex d'actomyosine aété mis en lumière ces dernières années en ce qui concerne la mécaniquecellulaire et leur changement de forme.La fermeture dorsale consiste en la fermeture d'un gap de l'épidermeembryonaire par la contraction de l'amniosereuse, un tissuextra-embryonaire qui le recouvre. Au cours de cette fermeture, on notela délamination des cellules de l'amnioséreuse mais pasd'intercalations, de migration ou de divisions. Cette simplicité en faitun système idéal pour l'étude des pulsations d'actomyosine, ou foci.Les modèles biophysiques suggèrent que les mouvements des foci peuventêtre liés à l'advection due à la contraction de leur substrat d'actine,ou à la diffusion suite à la dissociation de l'actine. Cependant lacinématique des foci reste mal comprise, et nous tentons donc de lacomprendre par une approche de quantification mécanistique etparticulièrement de leur cinématique.Pour ceci, nous utilisons l'analyse d'image et un algorithme nouveau desuivi en temps des pulses propagatifs de myosine. Les quatre chapitresde la thêse dévirvent une gamme d'outils de traitement de données etd'analyse d'image permettant la caractérisation du comportement des focidans des séries temporelles d'images de microscopie de l'amnioséreuse.Au chapitre 1, des films de l'amnioséreuse imageant deux canaux(E-cadhérine et Myosine II) sont décrits. Avec le premier canal, lesmembranes cellulaires sont identifiées. Pour le second, nous définissonsune méthode de pré-traitement nécessaire à la détection uniforme desfoci sur l'ensemble du jeu de données. De cette manière, nousquantifions les propriétés statiques des foci, telles que leur taille etleur distribution à la surface des cellules.Au chapitre 2, un algorithme de suivi nous permet d'établir des lienstemporels entre les foci identifiés. Des phénomèmes de coalescence etdécoalescence sont observés. Avec une approche de particule ponctuelle,des propriétés cinématiques des foci, telles que leur vitesse, durée etl'angle de déviation entre des pas consécutifs sont décrits. On observeque ces angles ne sont pas isotropes, ce qui indique une directionalitédu mouvement. La vitesse entre deux images est toujours non-nulle,suggérant que le mouvement n'est pas purement diffusif.faible durée des trajectoires soientproblématiques, cette observation est en cohérence avec l'hypothèse d'unmouvement auto-évitant. On observe également que chaque pas destrajectoires est préférentiellement aligné avec la direction moyenne decelles-ci, et l'on montre que cela est lié au confinement dans descellules de forme anisotrope.Au chapitre 4, le signal continu de myosine est analysé, et sescaractéristiques dans le voisinage spatio-temporel des foci au moyen de

Mechanics has emerged as a necessary discipline to understand embryogenesis. The effect of mechanical forces in tissue development and cell fate determination has been demonstrated, showing that cells respond to forces and mechanical cues.The Drosophila melanogaster is a model organism to study mechanics, with studies showing the mechanical control of cell shape and morphogenesis. Recently, the actomyosin cortex has attracted attention as a key regulator of cell mechanics. In this work, the morphogenetic process of dorsal closure is chosen to study the mechanical effect of actomyosin pulsations during development.Dorsal closure involves the closing of an epidermal gap in the embryo by the contraction of the amnioserosa, the extra-embryonic tissue covering the gap. During this time, cells delaminate from the amnioserosa, but there are no intercalations, migrations or divisions, making it an ideal system to study pulsatile actomyosin, or foci. Biophysical modelling suggests various modes of focus' motion such as advection or diffusion, but the kinetics of these foci are poorly understood. Thus, this work offers the mechanistical quantification of focus behaviour with a stress on kinetic properties.To that end, we use image analysis to create a tracking algorithm for travelling Myosin pulses. In four chapters, the thesis describes data processing tools which characterize focus behaviour, analysing a set of amnioserosa time-lapse movies.In chapter 1, the dataset of two channel (E-cadherin and Myosin II) time-lapse movies of the amnioserosa are described. Using the first channel, the cell membranes are identified. On the second channel, a method of pre-processing is defined, necessary for uniform focus identification over the whole dataset. Through this, the focus static properties, such as characteristic sizes and distribution on cell surface, are quantified.In chapter 2, the introduction of tracking algorithm enables temporal linkages among the identified foci. Merging and splitting behaviour of foci is seen. Under a point-particle ansatz, focus' kinematic properties, such as speeds, durations and angles of deviations between subsequent steps, are described. It is noted that the angles of deviation are non-isotropic, indicating directional motion. It is observed that foci always have non-zero speed between frames, suggesting motion that is not purely diffusive.In chapter 3, through further point-particle analysis of the trajectories of foci, their mean-squared-distances are quantified. Fitting a power-law, the median exponent is found to be in the super-diffusive regime of motion. Though impeded by the small duration of trajectories, this is consistent with the hypothesis of a self-avoiding motion. Measuring the mean direction of trajectory, it is seen that the orientation of the individual steps is preferentially aligned according to this direction. This is found to be linked to cellular confinement due to anisotropy in cell shapes.In chapter 4, the continuous Myosin signal is analysed, and the apical features of florescence in the known spatio-temporal neighbourhoods of foci are visualized through kymographs. These are then averaged to look at the properties of the apical Myosin signal in the regions where a focus has been, and will be. We find the average kinetics of a focus is followed by the phenomenon of Myosin depletion around it. We also note the presence of high Myosin signal across cell-membranes from foci.The work posits a model of self-avoidance due to substrate refractoriness as a mechanism for focus propagation and death. High myosin concentration at a sub-cellular region would be followed by a local refractor