Propulsion de liposomes géants par polymérisation d'actine : un modèle pour l'interaction dynamique cytosquelette-membrane dans la motilité

Propulsion of giant liposomes by actin polymerization : a model for the dynamic interaction between actin cytoskeletton and membranes in cell motility

• Auteur / Autrice : Vincent Delatour
• Direction : Marie-France Carlier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques. Biochimie. Biophysique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères biomimétiques

Pseudopodes

Motilité

Liposomes

Actine

Mots clés libres

Reconstitution

Résumé

Le mouvement cellulaire est organisé par des processus moléculaires qui couplent la dynamique de la membrane plasmique à celle du cytosquelette d’actine, pour engendrer des protrusions cellulaires. Pour analyser le lien fonctionnel entre ces processus et le comportement motile qui en résulte, j’ai utilisé une approche biomimétique. J’ai mis au point une méthode rapide d’électrogonflement de liposomes géants unilamellaires, que j’ai fonctionnalisés avec la protéine N-WASP. Cette protéine catalyse la formation d’un réseau de filaments branchés par le complexe Arp2/3 au bord avant des cellules motiles. Les liposomes, placés dans un milieu reconstitué contenant l’actine, Arp2/3 et les protéines de régulation du treadmilling, sont déformés par la polymérisation insertionnelle de l’actine et se propulsent in vitro. J’ai montré que les liposomes adoptent un régime de propulsion soit continu, soit saltatoire périodique, la transition entre les deux régimes étant contrôlée par la concentration de Arp2/3. Les résultats établissent que le complexe Arp2/3 est le partenaire de N-WASP responsable de l’interaction entre la membrane et les filaments au cours de la réaction de branchement. Cette interaction est transitoire et détermine l’équilibre ségrégation-diffusion de N-WASP dans la bicouche lipidique et la formation d’un réseau cohésif de filaments branchés. Le modèle physique que nous proposons selon lequel l’équilibre ségrégation-diffusion de N-WASP est contrôlé par les paramètres cinétiques du cycle catalytique de branchement, reproduit quantitativement les profils de densité de surface de N-WASP observés expérimentalement.

Cell movement is organized by molecular processes which couple plasma membrane to actin cytoskeleton dynamics, in order to generate cell protrusions. I used a biomimetic approach to reconstitute in vitro site-directed actin polymerization against lipid membranes. To do so, I first synthesised giant unilamellar vesicles (GUVs) by electroformation and functionalized them with actin polymerization activators such as N-WASP. When placed in a reconstituted motility assay made of pure proteins, vesicle grow a branched actin network that propels them in the motility medium. I showed that actin-propelled GUVs undergo continuous or periodic saltatory movement, and that the transition between these two regimes is controlled by the concentration of Arp2/3 complex, which branches filaments by interacting with liposome-bound N-WASP. Phase contrast and fluorescence microscopy show that saltatory motion is linked to cycles in the distribution of N-WASP at the membrane, between a homogeneous and a segregated state. Comparison of the changes in the distributions of N-WASP, Arp2/3 and actin during propulsion demonstrates that actin filaments transiently bind to N-WASP, and that these transient bonds are mediated by the Arp2/3 complex. The interaction of N-WASP-Arp2/3 with the filaments drives segregation. The balance between segregation and free diffusion determines whether continuous movement can be sustained. Computed surface distributions of N-WASP, Arp2/3 complex, and actin, derived from a theoretical description of this mechanism, account satisfactorily for the measured density profiles.