Dynamique, mécanique et architecture des microtubules

Dynamics, mechanics and architecture of microtubules

• Auteur / Autrice : Alexandre Schaeffer
• Direction : Laurent Blanchoin, Manuel Théry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physiologie cellulaire végétale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Delon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Andrieux, Alexandre Bershasky
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Emilie Terret, Nicolas Minc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Cytoplasme

Centrosomes

Microtubules

Mots clés libres

Centrosome

Dynamique

Mécanique

Cytoplasme

Vibrations

Vibrations

Dynamics

Cytoplasm

Centrosome

Mechanics

Résumé

La polarisation est un processus fondamental de la physiologie cellulaire. Le cytosquelette est un acteur clé de l'émergence et du maintien de la polarité cellulaire. Les microtubules forment un réseau dynamique et sensible qui contrôle l'organisation intracellulaire. Le centrosome est une organelle dépourvue de membrane qui nuclée une grande partie du réseau de microtubules et se situe en son centre. Le centrosome se situe généralement près du centre géométrique des cellules. Le repositionnement du centrosome est considéré comme un marqueur clef des phénomènes de polarisation cellulaire. Il est accepté que le positionnement du centrosome résulte de l'intégration de des forces qui agissent sur le réseau de microtubules. Varier la répartition et l’amplitude des forces le long du réseau de microtubules devrait donc forcer le centrosome à occuper des localisations cellulaires différentes. L'évaluation de l'état mécanique du réseau apparaît comme un moyen intéressant de comprendre comment les forces intracellulaires peuvent façonner l’organisation interne des cellules et sous-tendre les phénomènes de polarisation. Comment les forces sont-elles transmises à travers le réseau ? Comment modifient-elles la géométrie du réseau ? Comment affectent-elles le positionnement des centrosomes ? Nous nous sommes intéressés plus spécifiquement à deux types de cellules adhérentes isolées issues de mammifères : les fibroblastes et les cellules épithéliales. Nous avons utilisé le patterning cellulaire, l'ablation laser, des drogues du cytosquelette, l'énucléation cellulaire, la microscopie d'expansion, la dual fluoresent speckle microscopy pour disséquer la mécanique du réseau de microtubules ! Le réseau de microtubules est presque entièrement intégré dans le réseau d'actine. Les microtubules apparaissent figés et peuvent à peine se déplacer indépendamment de l'actine. Aucune force significative spécifiques aux microtubules n’a pu être détectée le long du réseau de microtubules. Nous apportons un nouveau point de vue sur les phénomènes de centrage en proposant que deux mécanismes existent en parallèle pour réguler la localisation du centrosome. Aux temps courts, l'aster est piégé à l'intérieur du réseau d'actine et ne peut pas se déplacer. Les asters bien positionnés peuvent demeurer centrés grâce à leur incorporation dans le maillage d'actine. L’altération de leur dynamique et la diminution de leur taille n'affectent pas leur capacité à rester centrés tant que le réseau d'actine est intact. Nous appelons ce processus le maintien du centrage. À plus long terme, les asters peuvent se décentrer après des épisodes de division cellulaire ou d'étalement cellulaire. Nous montrons que la dynamique de l'aster de microtubules revêt une grande importance dans les phénomènes de recentrage. Nos données suggèrent que l'aster peut diriger le remodelage du réseau d'actomyosine. En remodelant le réseau d'actomyosine, les microtubules permettent le repositionnement du centre géométrique de la cellule à l'emplacement du centrosome. C'est ce que nous appelons le recentrage du centrosome. Le centrosome n'est pas celui qui se déplace vers le centre géométrique, c’est au contraire le centre géométrique qui bouge vers le centrosome. Ce travail pose le centrosome comme organisateur majeur du volume cellulaire ! Néanmoins, la manière dont l'information est transmise du centrosome à l'actine demeure encore mystérieuse... Comment le réseau d'actine peut-il détecter la position de l'aster pour modifier de manière fiable sa forme et sa dynamique afin de centrer le centrosome ? La suite de ce travail consistera à étudier plus en détail l'impact de la dynamique des microtubules sur les processus de recentrage. Un aster non dynamique de grande taille est-il capable de se recentrer ? Des régulateurs communs à l'actine et aux microtubules tels que GEF-H1 sont-ils impliqués dans ce dialogue entre le centrosome et l’actine ?

Cellular polarization is a fundamental process in cell physiology. The cytoskeleton is a key actor in the emergence of cellular polarity. Amongst them, the microtubule from a sensitive dynamic aster like network who controls most of the cell’s internal organization. The centrosome is a membrane less organelle that nucleates an important part of the microtubule network and lies at the center of the microtubule aster. The centrosome is usually found near the cell’s geometrical center. Centrosome repositioning is viewed as one of the hallmarks of cellular polarization. Centrosome positioning is believed to result from the integration of the forces that act on the microtubule network. Submitting the microtubule aster to different force “landscapes” would results in centrosome adopting different intracellular localizations. Assessing the network mechanical state therefore appears as an interesting way to understand how intracellular forces can shape the cells internal organizations and underlie polarization phenomenon. How are forces transmitted throughout the network? How do they modify the network’s geometry? How are they affecting centrosome positioning? Our works focuses more specifically on mammalian fibroblasts and epithelial cells (isolated adherent cells). We have use cellular patterning, laser ablation, cytoskeletal drugs, cellular enucleation, expansion microscopy, dual fluorescent speckle microscopy and various cell lines to dissects the mechanics of the microtubule network! Overall, we show that the microtubule network is almost fully embedded inside the actin network. Consequently, microtubules are stuck and can barely move independently from the actin. No significant forces originating from microtubule specific actors can be detected along the microtubule network. We challenge the existing views on centrosome positioning by proposing that two mechanisms exist in parallel to regulate centrosome localization. At short to intermediate timescales the microtubule aster is trapped inside the actin meshwork and cannot move. Already well positioned aster can retain their centered position through their embedding inside actin. Removing their microtubules, killing their dynamics, or decreasing their size will not affect their ability to remain centered as long as the actin meshwork is intact. We call this process centering maintenance. At longer time scales microtubule asters might become off-centered after cellular division or during cellular spreading events. The dynamics of the microtubule aster become very important during recentering events. Our data suggest that the microtubule aster can reshape the actomyosin network. Through the reshaping of the actomyosin network the microtubule direct the repositioning of the cell geometrical center at the localization of the centrosome. We call this centrosome recentering. In our model the centrosome is no longer the one moving toward the geometrical center. An overall cellular reorganization directed by the microtubule network moves the geometrical center toward the centrosome. Interestingly, this work depicts the centrosome as a major organizer of the cellular volume! It remains unclear how the information is being passed on from the centrosome to the actin... That is, how can the actin meshwork sense the aster position to reliably change its shape and dynamics to center the centrosome? The continuation of this work will be to study in greater details the impact of microtubule dynamics on the recentering processes. Is a non-dynamic large-scale aster able to recenter? Are actin microtubule common regulators such as GEF-H1 involved in this process?