Effets du confinement sur l’auto-organisation du cytosquelette

Effects of the confinement on the self-organization of the cytoskeleton

• Auteur / Autrice : Mathieu Pinot
• Direction : Zoher Gueroui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Émulsions

Cellules -- Compartimentation

Symétrie brisée (physique)

Systèmes auto-organisés

Protéines du cytosquelette

Résumé

Le but de cette thèse a été d’étudier quantitativement l’effet d’un confinement physique, mimant les conditions de compartimentations cellulaires, sur des processus auto-organisationnels de fibres du cytosquelette. Nous avons développé une méthode permettant l’encapsulation au sein de gouttelettes et de vésicules d’un extrait cellulaire de Xénope, formant un aster à partir des interactions entre microtubules et moteurs moléculaires. Nous avons en particulier montré que cette auto-organisation dépendait fortement de la dimension du confinement. Trois structures distinctes de microtubules, chacune associée à une gamme de taille ont été ainsi observées : asters, asters asymétriques et faisceaux corticaux. Les transitions pour lesquelles les brisures de symétries apparaissent, se produisent pour des diamètres bien définis. Ces observations ont été expliquées qualitativement par un modèle physique simple et reproduites par des simulations numériques prenant en compte les propriétés physiques intrinsèques des objets biologiques (élasticité des microtubules, moteurs moléculaires…). Une seconde étape, consistant à encapsuler l’extrait cellulaire, au sein de vésicules a permis d’observer de nouvelles structures en forme de protrusions, mettant en évidence le rôle de la rigidité du confinement. L’utilisation de cette méthode a permis de réaliser des expériences préliminaires sur l’organisation d’un réseau d’actine au sein de gouttelettes et a mis en évidence la présence d’un flux directionnel des filaments d’actine pouvant aboutir à la formation d’un anneau contractile, reproduisant ainsi une des étapes essentielles de la cytokinèse.

We studied the effect of a confined physical environment on cytoskeleton self-organized processes. In order to reproduce the cell’s confinement, we developed an efficient bottom-up approach to encapsulate a Xenopus cell extract within droplets and vesicles. The qualitative and quantitative studies on a microtubule aster encapsulated within droplets showed three different patterns: asters, asymmetrical asters, and cortical bundles. Monitoring of the morphologies adopted by microtubule arrays showed that symmetry breaking in the organization of microtubules and formation of an aster in a spherical environment is dependent on the size of the droplet. Computer simulations based on physical considerations reproduced the various structures observed, and a simple physical model identified the main physical parameters of the transitions. The use of vesicles with more elastic boundaries resulted in very different morphologies of microtubule structure, such as protrusions, highlighting the importance of the rigidity of the confinement. We also used this system and this approach to study the re-organization of the actin network within droplets. Preliminary results demonstrate the existence of an actin directional flow around a contractile ring, reproducing in vivo processes present during cytokinesis.