Etude de l'homéostasie de taille chez les cellules animales

Cell size homeostasis in animal cells

• Auteur / Autrice : Clotilde Cadart
• Direction : Matthieu Piel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/05/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie cellulaire et cancer (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Mignotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Piel, Bernard Mignotte, Silvia Santos, Damien Coudreuse, Lydia Robert, Marco Cosentino Lagomarsino, Ariel Lindner
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Silvia Santos, Damien Coudreuse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taille cellulaire

Mitose

Morphologie cellulaire

Cellules -- Croissance -- Régulation

Cycle cellulaire

Mots clés libres

Taille cellulaire

Cycle cellulaire

Volume cellulaire

Croissance cellulaire

Size control

Cell cycle

Cell volume

Cell growth

Résumé

Le mécanisme d’homéostasie de taille chez les cellules animales est très peu compris actuellement. Cette question est pourtant d’un intérêt majeur car le maintien de l’homéostasie de taille dans une population de cellules prolifératives doit se faire par une coordination entre la croissance et la division. Chez la levure S. pombe, il a ainsi été montré que la taille est une information cruciale pour déclencher l’entrée en mitose (Fantes, 1977). Chez plusieurs bactéries et les cellules filles de la levure S. cerevisiae au contraire, de récentes études ont au contraire montré que l’homéostasie de taille était le résultat d’une addition constante de volume, indépendamment de la taille initiale des cellules (Campos et al., 2014; Soifer et al., 2016; Taheri-Araghi et al., 2015). Ce mécanisme est appelé « adder » et génère une régression des tailles à la moyenne, génération après génération. Ces résultats ont été possibles grâce au développement de techniques permettant la mesure dynamique du volume à l’échelle de la cellule unique et sur plusieurs générations. Une telle mesure est cependant très difficile chez les cellules de mammifère dont le volume fluctue constamment et qui cyclent sur des temps plus longs (environ 20 heures). Pour cette raison, la plupart des approches proposées sont indirectes (Kafri et al., 2013; Sung et al., 2013; Tzur et al., 2009) ou reposent sur une mesure de la masse plutôt que du volume (Mir et al. 2014; Son et al., 2012). Ensemble, ces études ont montré que les cellules de mammifère croissaient de manière exponentielle. Elles ont aussi remis en cause le modèle traditionnel qui proposait que l’homéostasie de taille reposait sur l’adaptation de la durée du cycle et mis en avant un rôle de la régulation de la vitesse de croissance. Cependant, aucun modèle n’a réellement été proposé ou démontré. La nature et l’existence même d’un mécanisme maintenant l’homéostasie de taille des cellules de mammifère est en fait discutée (Lloyd, 2013).Pour caractériser l’homéostasie de taille des cellules de mammifères, nous avons développé une technique permettant pour la première fois la mesure du volume de ces cellules sur des cycles complets (Cadart et al., 2017; Zlotek-Zlotkiewicz et al. 2015). Nous montrons que plusieurs types cellulaires (HT29, MDCK et HeLa) se comportent d’une manière similaire à celle d’un « adder ». Pour tester davantage cette observation, nous induisons artificiellement des divisions asymétriques en confinant les cellules dans des micro-canaux. Nous observons que les asymétries de tailles sont réduites mais pas complètement corrigées au cours du cycle suivant, à la manière d’un « adder ». Pour comprendre comment la croissance et la progression dans le cycle sont coordonnées et génère cet « adder », nous combinons notre méthode de mesure de volume avec un suivi de la progression dans les différentes phases du cycle. Nous montrons que la durée de la phase G1 est inversement corrélée au volume initial des cellules. Cependant, cette corrélation semble contrainte par une durée minimale de G1 mise en évidence lors de l’étude de cellules artificiellement poussées à atteindre de grandes tailles. Néanmoins, même dans cette condition où la modulation de la durée du cycle est perdue, l’observation du « adder » est maintenue. Ceci suggère un rôle complémentaire de la régulation de la vitesse de croissance des cellules. Nous proposons donc une méthode pour estimer théoriquement la contribution relative de l’adaptation de la vitesse de croissance et de la durée du cycle dans le contrôle de la taille. Nous utilisons cette méthode pour proposer un cadre général où comparer le processus homéostatique des bactéries et de nos cellules. En conclusion, notre travail apporte pour la première fois la démonstration que les cellules de mammifères maintiennent l’homéostasie grâce à un mécanisme similaire au « adder ». Ce mécanisme semble impliquer à la fois une modulation de la durée du cycle et du taux de croissance.

The way proliferating mammalian cells maintain a constant size through generations is still unknown. This question is however central because size homeostasis is thought to occur through the coordination of growth and cell cycle progression. In the yeast S. pombe for example, the trigger for cell division is the reach of a target size (Fantes, 1977). This mechanism is referred to as ‘sizer’. The homeostatic behavior of bacteria and daughter cells of the yeast S. cerevisiae on the contrary was recently characterized as an ‘adder’ where all cells grow by the same absolute amount of volume at each cell cycle. This leads to a passive regression towards the mean generation after generation (Campos et al., 2014; Soifer et al., 2016; Taheri-Araghi et al., 2015). These findings were made possible by the development of new technologies enabling direct and dynamic measurement of volume over full cell cycle trajectories. Such measurement is extremely challenging in mammalian cells whose shape constantly fluctuate over time and cycle over 20 hours long periods. Studies therefore privileged indirect approaches (Kafri et al., 2013; Sung et al., 2013; Tzur et al., 2009) or indirect measurement of cell mass rather than cell volume (Mir et al. 2014; Son et al., 2012). These studies showed that cells overall grew exponentially and challenged the classical view that cell cycle duration was adapted to size and instead proposed a role for growth rate regulation. To date however, no clear model was reached. In fact, the nature and even the existence of the size homeostasis behavior of mammalian cells is still debated (Lloyd, 2013).In order to characterize the homeostatic process of mammalian cells, we developed a technique that enable measuring, for the first time, single cell volume over full cell cycle trajectories (Cadart et al., 2017; Zlotek-Zlotkiewicz et al. 2015). We found that several cell types, HT29, HeLa and MDCK cells behaved in an adder-like manner. To further test the existence of homeostasis, we artificially induced asymmetrical divisions through confinement in micro-channels. We observed that asymmetries of sizes were reduced within the following cell cycle through an ‘adder’-like behavior. To then understand how growth and cell cycle progression were coordinated in way that generates the ‘adder’, we combined our volume measurement method with cell cycle tracking. We showed that G1 phase duration is negatively correlated with initial size. This adaptation is however limited by a minimum duration of G1, unraveled by the study of artificially-induced very large cells. Nevertheless, the adder behavior is maintained even in the absence of time modulation, thus suggesting a complementary growth regulatory mechanism. Finally, we propose a method to estimate theoretically the relative contribution of growth and timing modulation in the overall size control and use this framework to compare our results with that of bacteria. Overall, our work provides the first evidence that proliferating mammalian cells behave in an adder-like manner and suggests that both growth and cell cycle duration are involved in size control.