Modélisation de la morphogenèse des tissus épithéliaux

Modeling morphogenesis on epithelial tissues : from forces to geometry and back

• Auteur / Autrice : Diego Contreras
• Direction : Vincent Hakim, Francis Corson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Biophysique et neuroscience théoriques (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Hénon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Hakim, Francis Corson, Sylvie Hénon, Alice Nicolas, Romain Levayer, François Payre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alice Nicolas, Romain Levayer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Morphogenèse

Mécanique

Tissus épithéliaux

Mécanique statistique

Morphogenesis

Mechanics

Epithelial tissues

Statistical mechanics

Résumé

Les tissus épithéliaux sont ubiquitaires dans les organismes vivants, couvrant des surfaces et séparant différents compartiments dans divers organes et espèces. L'épithélium est le premier tissu qui apparaît au cours du développement et il joue un rôle central pour en structurer les étapes. Dans ce processus complexe, les interactions entre les divisions cellulaires, la signalisation chimique et les forces mécaniques permettent l’émergence de différents tissus avec des fonctions diverses. Dans l’élucidation des mécanismes en jeu dans la mécanique des tissus épithéliaux, un outil utile est constitué par les modèles de vertex, dans lesquels les cellules sont représentées de façon simplifiée par des polygones. La simulation de la division cellulaire dans ces modèles, produit des tissus avec des cellules géométriquement irrégulières, semblables à celles observées dans les épithéliums naturels, même quand les propriétés mécaniques des différentes cellules sont identiques. Les analyses théoriques existantes sont cependant, pour la plupart, confinées aux réseaux réguliers hexagonaux. Dans ce travail, nous proposons une analyse théorique d’un modèle de vertex géométriquement désordonné. Nous commençons par quantifier à l’aide de simulations numériques, les propriétés géométriques et mécaniques des cellules, dans des tissus désordonnés produits par différentes règles de division cellulaires ou simplement par la relaxation en présence de bruit. Nous développons ensuite une analyse simple de type « champ moyen » pour décrire ces propriétés. Cette description est étendue au cas d’une cellule ou d’un clone de cellules interagissant avec le tissu environnant aux propriétés mécaniques différentes, une situation qui se retrouve dans différents contextes biologiques. Cela nous permet de jeter un pont entre la théorie et l’expérience et de prédire quantitativement comment cette variation mécanique affecte la géométrie et la topologie et d’ajuster un modèle mécanique aux observations empiriques de la géométrie des membranes cellulaires dans un tissu. Finalement, en collaboration avec le groupe de F. Payre (Université de Toulouse), nous appliquons cette analyse pour décrire la géométrie et la dynamique des divisions cellulaire au cours de la différenciation de l’épiderme de la mouche. Nous nous attachons particulièrement à caractériser les propriétés mécaniques d’un clone de cellules qui prolifère différemment du tissu environnant.

Epithelial tissues are ubiquitous in animal life, covering surfaces and separating body compartments in diverse organs and species. Epithelium is the first tissue to form, playing a key role in structuring the intricate steps of an organism's development. In such a complex system, the interplay between cell division, chemical signalling, and mechanical forces permits the emergence of different tissues with specific functions. To uncover the mechanisms at play in epithelial tissue mechanics, a useful tool is provided by vertex models, in which cells are idealized as juxtaposed polygons. Numerical simulations of cell division in vertex models yield geometrically irregular cells, similar to empirical observations in epithelia, even when cell mechanical properties are homogeneous. Nevertheless, existing theoretical analyses are mostly confined to the mechanics of regular hexagonal lattices. Here, we develop an analytical description of geometrically disordered vertex models. We first quantify, in numerical simulations, geometric and mechanical cell properties in the presence of diverse sources of disorder, including various division rules or relaxation in the presence of noise. We then develop a simple mean-field description able to account for these properties. This description is expanded to address the interaction of isolated and clustered cells with mechanical properties differing from the surrounding tissue relevant in a wide range of biological contexts. This allows us to bridge the gap between theory and experiments, quantitatively predicting how variation in forces may affect geometry and topology as well as fitting mechanistic model parameters to the observed geometry of cell membranes in a tissue. Finally, in a collaborative work with the Payre's lab (U. de Toulouse), we apply our analysis to account for the statistics of cell geometry and division dynamics in experiments performed on epidermis differentiation in the fly. We particularly focus on characterizing the mechanical properties of clustered clonal cells with distinct proliferation rates from their environment.