Contribution des propriétés du cytoplasme au positionnement du fuseau mitotique

Contribution of cytoplasm material properties to the mechanics of mitotic spindle positioning

• Auteur / Autrice : Jing Xie
• Direction : Nicolas Minc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Guichet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Guichet, Jean-Léon Maître, Isabel Palacios, Guillaume Charras, Léa-Laetitia Pontani, Juliette Azimzadeh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Léon Maître, Isabel Palacios

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanobiologie

Cytoplasme

Fuseau mitotique

Division cellulaire

Mots clés libres

Division cellulaire

Fuseau mitotique

Forces

Cytoplasme

Flux

Mécanobiologie

Cell division

Mitotic spindles

Forces

Cytoplasm

Flows

Mechanobiology

Résumé

Le cytoplasme des cellules vivantes est constitué de macromolécules et de réseaux de polymères qui lui confèrent des propriétés visqueuses et élastiques dépendant de l'échelle. Bien que le rôle de ces paramètres dans la diffusion moléculaire, la cinétique des réactions et la biochimie cellulaire soit de plus en plus reconnu, leurs contributions au mouvement d'organites plus grands, comme les fuseaux mitotiques, les noyaux ou les astres de microtubules pour la division cellulaire, restent inconnues. Dans cette thèse, en utilisant des pinces magnétiques pour déplacer ou faire pivoter les fuseaux mitotiques dans des embryons d'oursins vivants en développement, nous avons découvert que la matrice du cytoplasme est capable d'appliquer des forces réactives viscoélastiques qui peuvent ramener les fuseaux, ou des objets passifs comme des gouttes d'huile de taille similaire, si leur position d'origine est perturbée. Ces forces sont indépendantes des générateurs de force associés au cytosquelette, mais atteignent néanmoins des centaines de piconewtons et dépendent de l'encombrement du cytoplasme. Les flux de cisaillement induits par la contrainte et le mouvement du fuseau induisent un réarrangement du cytoplasme et dissipent l'énergie élastique, limitant le retour du fuseau avec des implications fonctionnelles pour les divisions asymétriques et orientées. Les forces réactives du cytoplasme dépendent de la forme et de la taille cellulaire avec des conséquences sur la stabilité de la machinerie de division pendant l'embryogénèse. Ces résultats suggèrent que les propriétés matérielles du cytoplasme peuvent constituer des éléments de contrôle importants pour la régulation du positionnement des divisions, de l'organisation cellulaire et du développement des embryons.

Living cells are filled with macromolecules and polymer networks that set scale-dependent viscous and elastic properties to the cytoplasm. Although the role of these physical parameters in regulating molecular diffusion, reaction kinetics and cellular biochemistry is being increasingly recognized, their contributions to the motion of larger organelles, such as mitotic spindles, microtubule asters or nuclei for cell division and organization remain unknown. In this thesis, I implemented in vivo magnetic tweezers to apply calibrated forces and torques that displace and rotate mitotic spindles in live dividing sea urchin embryos. I uncovered that the cytoplasm matrix can impart large viscoelastic reactive forces that bring back spindles, or large passive objects like oil droplets to their original position. These forces are independent of cytoskeletal force generators, yet reach hundreds of piconewtons and scale with cytoplasm crowding. Spindle motion under force, also causes the cytoplasm to shear and rearrange, to eventually yield and fluidize, a process which dissipate elastic energy and limits spindle recoils. Such fluidization or plastic yield under force has functional implications for asymmetric and oriented divisions, as it allows spindles to maintain an offset position or tilt in cells. I also uncovered that the mechanical contribution of cytoplasm properties to mitotic spindle positions exhibit shape and size dependence, which may be of fundamental importance for early embryo development and morphogenesis. Thus, these findings suggest that bulk cytoplasm material properties may constitute important control elements for the regulation of division positioning, cellular organization and early embryo development.