Propriétés mécaniques des filaments intermédiaires et des microtubules dans les cellules vivantes

Mechanics of intermediate filaments and microtubules in living cells

• Auteur / Autrice : Nathan Lardier
• Direction : Jean-Baptiste Manneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 01/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanismes moléculaires du développement de la glande mammaire - Biologie Cellulaire et Cancer
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivia Du Roure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Manneville, Olivia Du Roure, Sylvie Hénon, Manuel Théry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Hénon, Manuel Théry

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique cellulaire

Micro-rhéologie

Pince optique

Cytosquelette

Microtubule

Vimentine

Cell mechanics

Microrheology

Optical tweezers

Cytoskeleton

Microtubule

Vimentin

Résumé

Bien que largement étudiée in vitro, la mécanique du cytosquelette reste encore peu explorée dans les cellules vivantes. Nous utilisons une technique de micromanipulation intracellulaire basée sur des pinces optiques pour appliquer des forces directement sur les filaments du cytosquelette afin de sonder la mécanique des microtubules et des filaments intermédiaires et de nous intéresser à leur interaction mécanique. En mesurant simultanément la force appliquée aux filaments et leur déflexion, c'est-à-dire la déformation des filaments perpendiculairement à leur axe longitudinal, en fonction du temps, nous pouvons déduire les courbes force-déflexion des filaments et caractériser la rigidité des filaments intermédiaires de vimentine et des microtubules. Par un ajustement linéaire des courbes force-déflexion dans le régime des faibles forces, nous montrons que les microtubules ont une rigidité effective plus faible que la vimentine lors de la déflexion. Nous appliquons ensuite des forces deux fois sur le même faisceau de cytosquelette pour montrer que les filaments de vimentine, mais pas les microtubules, se rigidifient d'un facteur supérieur à trois lors de déflexions répétées. Nous caractérisons plus en détail le couplage mécanique entre les filaments de vimentine et les microtubules en utilisant des agents déstabilisateurs et stabilisateurs des microtubules et en augmentant l'acétylation des microtubules. De façon intéressante, nous constatons que ces modifications n'affectent pas la rigidité effective des filaments de vimentine alors que la déstabilisation ou l'acétylation des microtubules réduit significativement la rigidité des filaments de vimentine lors de déflexions répétées. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que les microtubules favorisent la rigidification des faisceaux de vimentine lors de contraintes mécaniques répétées. En revanche, dans les cellules où la vimentine est inactivée, les propriétés mécaniques des microtubules sont inchangées. Nos résultats soulignent l'importance des interactions entre les microtubules et les filaments intermédiaires dans la mécanique cellulaire et suggèrent que les filaments intermédiaires de vimentine sont des structures mécano-sensibles qui présentent des réponses dépendantes des contraintes mécaniques passées.

Although extensively studied in vitro, the mechanics of the cytoskeleton is still largely unexplored in living cells. We use an intracellular optical tweezers-based micromanipulation technique to apply forces directly on cytoskeletal filaments in order to probe microtubules and intermediate filament mechanics and focus on how they interact mechanically. Measuring simultaneously the force applied to the filaments and their deflection, i.e. the deformation of the filaments perpendicular to their axis, as a function of time, allows us to deduce the force-deflection curves of the filaments and to characterize the rigidity of vimentin intermediate filaments and microtubules. By fitting the force-deflection curves at small forces, we show that microtubules have a lower effective stiffness than vimentin upon deflection. We then apply forces twice on the same cytoskeletal bundle to show that vimentin filaments, but not microtubules, stiffen more than three times upon repeated deflections. We further characterize the mechanical coupling between vimentin filaments and microtubules by using microtubule destabilizing and stabilizing drugs and by increasing microtubule acetylation. Interestingly, we find that these modifications do not affect the effective stiffness of vimentin filaments while destabilizing or acetylating microtubules significantly reduces vimentin filament stiffening upon repeated deflection. Altogether, these results suggest that microtubules promote stiffening of vimentin bundles under repeated mechanical stress. In sharp contrast, in cells knockout for vimentin, the mechanical properties of microtubules are unchanged. Our findings highlight the importance of the interactions between microtubules and intermediate filaments in cell mechanics and suggest that vimentin intermediate filaments are mechanosensitive structures which exhibit history-dependent mechanoresponses.