Régulation mécanique et moléculaire des vagues corticales périodiques de la contraction

Mechanical and Molecular Regulation of Periodic Cortical Waves of Contraction

• Auteur / Autrice : Özge Özgüç
• Direction : Jean-Léon Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et du développement
• Date : Soutenance le 28/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Génétique du développement humain
• Jury : Président / Présidente : Sophie Louvet-Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Sykes, Kevin Chalut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Collignon, Peter Lenart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Contractilité

Contraction

Actomyosine

Blastocyste

Morphogenèse

Biologie du développement

Mots clés libres

Développement de la souris

Actomyosine

Mécanique cellulaire

Développement animal précoce

Analyse d'image

Oscillations

Developmental biology

Actomyosin

Cellular mechanics

Résumé

Au cours du développement préimplantatoire, l'embryon de mammifère forme le blastocyste, qui est la structure fixant l'embryon dans l'utérus. La formation du blastocyste repose en grande partie sur les forces contractiles générées par le cortex d'actomyosine. Chez la souris, sur des échelles de temps de quelques secondes, nous observons des impulsions de contractions d'actomyosine voyageant périodiquement autour du périmètre cellulaire. Nous appelons ce phénomène vagues de contraction corticale périodique (PeCoWaCo), une manifestation fascinante et mal comprise de la contractilité. Dans cette étude, nous profitons du développement lent de l'embryon de souris pour étudier des milliers d'impulsions de contraction. Nous mettons également à profit la robustesse de ce développement pour explorer les propriétés biophysiques des PeCoWaCo pendant les étapes de clivage précédant la morphogenèse précoce des mammifères.Nous constatons que, lors des étapes de clivage, des mouvements périodiques apparaissent occasionnellement au stade zygote et 2-cellules puis deviennent systématiques après le 2ème cycle de divisions de clivage. Fait intéressant, la période des oscillations diminue progressivement de 200s au stade zygote à 80s au stade 8-cellules. Étant donné que les cellules deviennent de plus en plus petites avec des divisions de clivage successives, la taille des cellules pourrait être un déterminant important dans l'initiation et la régulation des PeCoWaCo. Nous manipulons la taille des cellules sur une large gamme de rayons cellulaires (10-40 µm) en utilisant la fragmentation et la fusion des cellules et constatons que l'initiation, la persistance ou les propriétés des PeCoWaCo ne dépendent pas de la taille des cellules. Après la période des PeCoWaCo, on découvre que les tensions de surface des blastomères diminuent progressivement jusqu'au stade de 8-cellules et que l’assouplissement artificiel des cellules augmente prématurément les PeCoWaCo. Par conséquent, lors des étapes de clivage, l’assouplissement cortical réveille la contractilité zygotique avant la morphogenèse préimplantatoire. En plus, en manipulant la contractilité de l'actomyosine à l'aide de mutants et des drogues, nous avons montré que la période des PeCoWaCo peut être contrôlée par la régulation du taux de polymérisation de l'actine filamenteuse et de l'activité motrice de la myosine.Dans l'ensemble, nos résultats sur les aspects biophysiques et moléculaires du PeCoWaCo nous aident à comprendre comment la contractilité de l'actomyosine s'éveille avant la morphogenèse préimplantatoire et comment elle est régulée au niveau mécanique et moléculaire.

During pre-implantation development, the mammalian embryo forms the blastocyst, which is the structure embedding the embryo into the uterus. The shaping of the blastocyst relies in large part on contractile forces generated by the actomyosin cortex. In the mouse, on timescales of seconds, we observe pulses of actomyosin contractions traveling periodically around the cell perimeter. We call this phenomenon periodic cortical waves of contraction (PeCoWaCo), a fascinating and poorly understood manifestation of contractility. In this study, we take advantage of the slow development of the mouse embryo to study thousands of contraction pulses and of the robustness of the mouse embryo to size manipulation to explore the biophysical properties of PeCoWaCo during the cleavage stages preceding early mammalian morphogenesis. We find that, during cleavage stages, periodic movements appear occasionally at the zygote and the 2-cell stage and become systematic after the 2nd round of cleavage divisions. Interestingly, the period of oscillations progressively decreases from 200 s at the zygote stage to 80 s at the 8-cell stage. Since cells becomes successively smaller with successive cleavage divisions, cell size could be an important determinant in the initiation and regulation of PeCoWaCo. We manipulate cell size on a broad range of cell radii (10-40 µm) using fragmentation and fusion of cells and find that the initiation, persistence or properties of PeCoWaCo do not depend on cell size. Following the period of PeCoWaCo, we discover that blastomeres gradually decrease their surface tensions until the 8-cell stage and that artificially softening cells enhances PeCoWaCo prematurely. Therefore, during cleavage stages, cortical softening awakens zygotic contractility before preimplantation morphogenesis. In addition, by manipulating actomyosin contractility using mutants and drugs, we showed that the period of PeCoWaCo can be tuned by F-actin polymerization rate and myosin motor activity. Altogether our results on biophysical and molecular aspects of PeCoWaCo help us understand how actomyosin contractility awakens before preimplantation morphogenesis and how it is regulated both mechanically and molecularly.

İmplantasyon öncesi gelişim sırasında, memeli embriyosu, embriyoyu rahim içineyerleştiren yapı olan blastosisti oluşturur. Blastosistin şekillendirilmesi büyük ölçüdeaktomiyozin korteks tarafından oluşturulan kasılma kuvvetlerine dayanır. Farede, saniyelikzaman ölçeklerinde, hücre çevresinde periyodik olarak dolaşan aktomiyozin kasılmalarınındarbeleri gözlemlenebilir. Bu fenomene, kasılmanın büyüleyici ve yeterince anlaşılmamış birtezahürü olan periyodik kortikal kasılma dalgaları (periodic cortical waves of contraction:PeCoWaCo) diyoruz. Bu çalışmada, erken memeli morfogenezinden önceki bölünmeaşamaları sırasında PeCoWaCo'nun biyofiziksel özelliklerini keşfetmek ve binlerce kasılmadarbesini inceleyebilmek için fare embriyosunun yavaş gelişiminden ve fare embriyosununboyut manipülasyonuna dayanıklılığından faydalandık.Bölünme aşamaları sırasında, zigotta ve 2 hücreli aşamada periyodik hareketlerinzaman zaman ortaya çıktığını ve ikinci tur bölünmeden sonra bu hareketlerin sistematik halegeldiğini bulduk. İlginç bir şekilde, salınım periyodunun zigot aşamasında 200 saniyeden, 8hücreli aşamada 80 saniyeye sistematik olarak azaldığını gözlemledik. Hücreler ardışıkbölünmeleriyle sürekli küçüldüğünden, hücre boyutu PeCoWaCo'nun başlatılmasında vedüzenlenmesinde önemli bir belirleyici olabilir. Hücreleri geniş bir hücre yarıçapı aralığında(10-40 μm) küçük parçalara bölerek veya birbirleriyle birleştirerek PeCoWaCo'nunbaşlatılmasının, kalıcılığının veya genel özelliklerinin hücre boyutuna bağlı olmadığını bulduk.PeCoWaCo periyodunu takiben, embriyo hücrelerinin zigottan 8 hücreli aşamaya kadar yüzeygerilimini kademeli olarak azalttığını ve yapay olarak korteksleri yumuşatılan hücrelerinPeCoWaCo'yu zamanından önce geliştirdiğini keşfettik. Bu sonuçlarla bölünme aşamalarısırasında, kortikal yumuşama, ilke implantasyon öncesi morfogenezinden önce zigotikkasılmaları uyandırdığını gösterdik. Ayrıca, genetik mutantlar ve kimyasallar kullanarakaktomiyozin kasılmasını manipüle ederek, PeCoWaCo periyodunun F-aktin polimerizasyonhızı ve miyozin motor aktivitesinin düzenlenmesi ile ayarlanabileceğini gösterdik.Sonuç olarak, PeCoWaCo'nun biyofiziksel ve moleküler yönleriyle ilgili bulgularımız,aktomiyosin kontraktilitesinin implantasyon öncesi morfogenezinden önce nasıl uyandığını,ayrıca hem mekanik hem de moleküler olarak nasıl düzenlendiğini anlamamıza yardımcı olur.