Dynamique des forces motiles et brisure de symétrie chez la cellule migrante

Dynamics of motile forces and symmetry breaking in the migrating cell

• Auteur / Autrice : Katharina Hennig
• Direction : Martial Balland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 17/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Franz Brückert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aldo Leal-Egana, Paolo Maiuri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ana-Maria Lennon-Duménil, Benoît Ladoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Motilité

Transduction du signal cellulaire

Mots clés libres

Vigueur cellulaire

Migration

Mécanotransduction

Cellular Force

Migration

Mechanotransduction

Résumé

La motilité cellulaire directionnelle au cours du développement de l'organisme et des tissus, l'homéostasie et la maladie nécessite une rupture de symétrie. Ce processus repose sur la capacité des cellules individuelles à établir une polarité avant-arrière, et peut se produire en l'absence de signaux externes. L'initiation de la migration a été attribuée à la polarisation spontanée des composants du cytosquelette, tandis que l'évolution spatio-temporelle des forces du cytosquelette résultant de l'interaction mécanique cellule-substrat continue n'a pas encore été résolue. Ici, nous établissons un test de migration microfabriqué unidimensionnel qui imite un environnement fibrillaire complexe in vivo tout en étant compatible avec les mesures de force à haute résolution, la microscopie quantitative et l'optogénétique. La quantification des paramètres morphométriques et mécaniques révèle un comportement de stick-slip générique initié par un détachement stochastique des contacts adhésifs d'un côté de la cellule dépendant de la contractilité, qui est suffisant pour conduire la motilité cellulaire directionnelle en absence de polarité du cytosquelette préétablie ou de gradients morphogènes. Un modèle théorique valide le rôle crucial de la dynamique d'adhésion au cours de la rupture de symétrie spontanée, en proposant que le phénomène examiné puisse émerger indépendamment d'un système auto-polarisant complexe.

Directional cell motility during organism and tissue development, homeostasis and disease requires symmetry breaking. This process relies on the ability of single cells to establish a front-rear polarity, and can occur in absence of external cues. The initiation of migration has been attributed to the spontaneous polarization of cytoskeleton components, while the spatio- temporal evolution of cytoskeletal forces arising from continuous mechanical cell-substrate interaction has yet to be resolved. Here, we establish a one- dimensional microfabricated migration assay that mimics complex in vivo fibrillar environment while being compatible with high-resolution force measurements, quantitative microscopy, and optogenetics. Quantification of morphometric and mechanical parameters reveals a generic stick-slip behavior initiated by contractility-dependent stochastic detachment of adhesive contacts at one side of the cell, which is sufficient to drive directional cell motility in absence of pre-established cytoskeleton polarity or morphogen gradients. A theoretical model validates the crucial role of adhesion dynamics during spontaneous symmetry breaking, proposing that the examined phenomenon can emerge independently of a complex self-polarizing system.