Fasciculation axonale et dynamique du cône de croissance en environnement confiné

Axonal fasciculation and growth cone dynamics in confined micro-environments

• Auteur / Autrice : Audric Jan
• Direction : Catherine Villard, Christian Specht
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physico-chimie Curie (Paris ; 1996-....) - Physico-Chimie-Curie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Bassereau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Villard, Christian Specht, Benoît Charlot, Mireille Montcouquiol, Marie Bréau, Christophe Leterrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Charlot, Mireille Montcouquiol

Mots clés

Mots clés libres

Neurone

Cône de croissance

Bioingénierie

Imagerie super résolutive

Axone

Fasciculation

Neuron

Growth cone

Bio-Ingénierie

Super Resolution Imaging

Axon

Fasciculation

Résumé

La navigation des axones est une étape cruciale du développement des réseaux neuronaux. Elle s’opère via divers mécanismes de guidage du cône de croissance (GC), une structure motile et riche en actine localisée à l’extrémité des neurites. Dans de nombreux cas, les axones progressent vers leur destination en formant des faisceaux. Dans cette étude, nous utilisons des puces microfluidiques composées de micro-canaux axonaux de différentes largeurs pour induire et étudier la fasciculation. Nous montrons que les faisceaux sont constitués de deux populations d’axones, les pionniers et les suiveurs, qui se distinguent par leur comportement et la morphologie du GC. Les pionniers adoptent un comportement exploratoire caractérisé par une alternance d’avancées et de pauses alors que les suiveurs ont une croissance plus rapide et des pauses moins fréquentes. L’analyse morphologique des GC révèle que ces structures sont plus larges chez les pionniers alors que ceux des suiveurs ont une forme plus allongée. Curieusement, lorsque les GC des pionniers sont fortement confinés et ainsi contraints d’adopter la morphologie des suiveurs, ils en acquièrent également le comportement et la dynamique. Ces résultats nous ont amené à nous interroger sur la nature du lien existant entre la forme et la dynamique du GC. Nous avons entrepris d’investiguer cette question par une étude de l’organisation et de la dynamique du cytosquelette d’actine en microscopie super-résolutive. Les résultats obtenus semblent indiquer que l’orientation des filaments définit un angle plus étroit chez les suiveurs et les pionniers très confinés que chez les pionniers non confinés. De plus, les mesures de vitesse du flux rétrograde d’actine (ARF) dans les GC révèlent un flux plus rapide pour les pionniers non confinés. La vitesse de l’ARF étant inversement proportionnelle à la vitesse de migration des cellules, ces résultats expliqueraient les différentes dynamiques de croissance des pionniers et des suiveurs. De prochaines investigations visant à quantifier la quantité ou la densité de filaments d’actine, ainsi que leur couplage à des molécules d’adhésion cellulaire, nous permettrons d’améliorer notre compréhension des mécanismes moléculaires mis en oeuvre dans ces deux populations d’axones.

Precise navigation of axons is crucial to establish in vivo neuronal networks. It relies on proper guidance of the growth cone (GC), an actin-rich dynamic structure located at the axonal tip. In vivo, axons ofter progress toward their target by forming bundles. In this study, we use a microfluidic chip composed of axonal microchannels of various widths to induce and study the phenomenon of fasciculation. We show that bundles are built from two populations of axons, i.e. pioneers and followers, characterized by distinct behaviors and GC morphologies. Pioneer axons display an explorative behavior, characterized by a discontinuous growth due to alternance of advancing and pausing periods, while follower axons exhibit a higher growth rate with less frequent pauses. Besides, morphological analysis of GCs reveals that these structures are wider in pioneer axons, while GCs of followers display more elongated shapes. Curiously, confined pioneer GCs into 2 μm wide channels adopt both follower morphologies and dynamics. These results prompting us to wonder about the nature of the link between GC shape and dynamics, we adress this question by investigating the organization and dynamics of the actin filaments (AF) using Spt-PALM. Preliminary results suggest that filament orientation defines a narrower angle in followers and highly confined pioneers than in unconfined pioneers. In addition, measurements of the actin retrograde flow rate (ARF) in GCs reveal a faster flow for unconfined pioneers. The speed of the ARF being inversely proportional to the cell migration speed, these results would explain the respective behaviors of pioneers and followers. Further investigations into quantifying the quantity or density of AF, as well as their coupling to cell adhesion molecules, will allow us to improve our understanding of the molecular mechanisms involved in these two axon populations.