Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

CNRS UMR 7057 – Université Paris Diderot

Mécano-sensibilité cellulaire: causalité et signalisation biochimique /

auto-organisation et point de fonctionnement

Jonathan Fouchard, Démosthène Mitrossilis, Alain Richert, Atef Asnacios

Formes et fonctions des cellules animales…

Neurone Myoblaste Ostéoblaste

Même génome

Formes et fonctions très différentes

…Mécanique et fonctions des cellules

Même génome Formes et fonctions très différentes / II

mécanique

Myoblaste

…Mécanique et fonctions des cellules

Même génome Formes et fonctions très différentes / II

mécanique

Biologie Physique / Myoblaste

…Mécanique et fonctions des cellules

Même génome Formes et fonctions très différentes / II

mécanique

Biologie Physique /

Inné Acquis /

Myoblaste

…Mécanique et fonctions des cellules

Même génome Formes et fonctions très différentes / II

mécanique

Biologie Physique /

Inné Acquis /

Poule oeuf /

Myoblaste

…Mécanique et fonctions des cellules

Même génome Formes et fonctions très différentes / II

mécanique

Biologie Physique /

Inné Acquis /

Poule oeuf / Séquence

temporelle

et…

boucle !

Myoblaste

Cellule non adhérente Cellule adhérente

adhésions

Price et al., Mol. Biol. Cell, 1998

Forme = équilibre mécanique

T

T R

Cellule non adhérente:

Sphérique (pas de forme!)

Tension de surface isotrope

Cellule adhérente:

forme

Tension compensée par

Réaction du substrat

Forme = équilibre mécanique

Gardel Lab, http://squishycell.uchicago.edu

Tension + adhésion

Actin filaments +

Myosin II motors

Contractile

forces

Adhesion

complexes

Force

transmission

Forme = équilibre mécanique

T R

Cellule adhérente:

forme

Tension compensée par

Réaction du substrat

<=>

Forme = équilibre mécanique

T R

Cellule adhérente:

forme

Tension compensée par

Réaction du substrat

<=>

Aire de l’emplacement

suffisante?

Terrain suffisamment dur?

Chen et al., Science, 1997

Culture de cellules endothéliales sur des motifs adhésifs de taille variable

La mitose et l'apoptose sont régulées par la forme cellulaire

La forme contrôle le destin des cellules animales

Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage

Specification

Engler et al., Cell, 2006

« Cell Morphology Suggests

Lineage Specification Is

Directed by Matrix Stiffness

and

Dependent on Nonmuscle

Myosin II »

Mechanism ?

Role of Myosin Motors ?

Rigidity controls cell shape, architecture and

internal tension

Solon et al., Biophysical Journal, 2007

Mise en place de la structure ?

Cellule

=

système auto-organisé

Adhésion

Tension

Extension

Auto-organisation

Adhésion

Tension

Mise en place de la structure:

Extension

Cellule

=

système auto-organisé

Auto-organisation: Pure Bio

SIGNALISATION

Dosage de l’activité de protéines

ciblées

Price et al., Mol. Biol. Cell, 1998

Price et al., Mol. Biol. Cell, 1998

Cascades déclenchées par l’adhésion

Price et al., Mol. Biol. Cell, 1998

Cascades déclenchées par l’adhésion

Price et al., Mol. Biol. Cell, 1998

Contrôle de la tension

Polymérisation dirigée vers

la membrane

Pollard & Borisy, Cell, 2003

Gel d'actine :

lamellipode

AVANCÉE DU FRONT

Contrôle de l’extension:

polymérisation de l’actine

Extension (Etalement)

Tension (Force)

Adhésions

En résumé:

Balaban et al., Nature Cell Biol, 2001 Riveline, D. et al. J. Cell Biol. 2001

croissance des complexes sous l'effet de la force

Force interne Force externe

Les adhésions sont mécano-

sensibles !

Une rétroaction salutaire

Extension (Etalement)

Tension (Force)

Adhésions

Ca se complique:

« Une sorte de biophysique » : 1 Deux phases d’étalement distinctes:

avec ou sans forces

P1 P2

P1

P2

Dubin-Thaler et al., Plos One, 2008

Extension (Etalement)

Tension (Force)

Adhésions

?

Ca se complique:

Paxilline-YFP :

marqueur des

adhésions

Cellules:

Fibroblastes Ref-

52

Substrat: verre

couvert de

fibronectine

28

« Une sorte de biophysique » : 2 Etalement et dynamique des adhésions

Ref-52 Fibroblasts

YFP-Paxillin

Coating : Fibronectin

Etalement + dynamique des adhésions

5 µm

Phase 1 Phase 2

R*a

t*a t*R

R*R

Etalement et dynamique des adhésions

Fouchard et al., à soumettre

Extension (Etalement)

Tension (Force)

Adhésions

Ca se complique: Phase 1

Etalement et dynamique de l'angle de contact Phase

1

Transitio

n

Phase

2

Les premières adhésions apparaissent lorsque le

corps cellulaire fait un angle de 90° avec le substrat

10 µm

R*a

32

Projection de la tension corticale sur la lamelle induit la

croissance des adhésions ?

θC < 90° θC = 90° θC > 90°

33

Schéma de travail

L(t)

d Deflection

L0

Flexible microplate

(spring of stiffness k)

Rigid microplate

Principle of traction force measurement

mechanical

Power transmitted

to the substrate

dkF

dt

dF

kdt

dV

1

d dt

dFP d

traction

Force

Speed

of contraction

Force Measurement…in motion

10 µm

t~1000sec

Force + adhésions

Phase 1 F=k.δ

Force before adhesions

Ref-52 Fibroblasts

YFP-Paxillin

Visualize the reorganization

of adhesions

Effect of stiffness change ?

Relations très différentes + forme

Etalement Adhésions Forme Force

Implications biologiques

Changement d'inclinaison

du corps cellulaire Activation d'un centre

de signalisation

biologique

θC < 90° θC = 90° θC > 90°

Kuo J.C. et al., Nature Cell Biol, 2011

• 905 protéines transitent

par les complexes

d'adhésion

• Leur présence dépend de

la tension interne (myosine

II)

38

Adaptation des adhésions à la

forme

Adhésion = centre de

signalisation

Adaptation des fonctions cellulaires à la

forme

Implications biologiques

?

39

Adaptation des adhésions à la

forme

Adhésion = centre de

signalisation

Adaptation des fonctions cellulaires à la

forme

Implications biologiques

?

Aire caractéristique de transition ≈ 500

µm2

Aire d'apparition des adhésions ≈ 700

µm2

40

Relations très différentes + forme

Etalement Adhésions Forme Force

Destin

cellulaire

?

Quelques questions

- Rôle de la membrane et sa tension…

- Étalement ressemblant à mouillage, Rac qui donne forme lamellipode,

ou interaction avec substrat qui implique Rac?

- une même molécule dans différentes voies de signalisation

comment on évite les interférences?

« When pathways collide:

collaboration and connivance among signalling

proteins in development »

Helen McNeill* and James R. Woodgett

Nature 2010

Le signal mécanique ne le permet-il pas, contrôle qualité (cf morphogénèse

Many Thanks ! Laboratoire MSC:

Nicolas Desprat

Axel Guiroy

Démosthène Mitrossilis

Jonathan Fouchard

Nicolas Rodriguez

David Pereira

Pauline Durand

Nathalie Bufi

Célian Bimbard

L’équipe physique du vivant et +…

Francois Gallet

Sylvie Hénon

Alain Richert

Olivier Cardoso

Sophie Asnacios

Sandra Lerouge

Charlotte Py

Guillaume Grégoire

Institut Jacques-Monod: Maïté Coppey

Christiane Durieux

Marc Tramier

Isabelle Vallois

INSERM-H.Henri Mondor: Daniel Isabey

Emmanuelle Planus

Sophie Féréol

Yves Couder

Michel Saint Jean

Julien Browaeys

Jacques Dufeaux

Patrice Flaud

Jean-Louis Counord

Henri Delgallo

Manuel Cuesta

Danielle Champeau

Nadine Beyer

Claudine Héneaux

Carole Barache…

Biologie du Développement P7: Denise Paulin

Zhigang Xue

INRA Gpe Paroi primaire: Alexis Peaucelle

Grégory Mouille

Hermann Höfte

Erlangen University: Ben Fabry

WI Israel / MBI Singapore: Alexander Bershadsky

ENS Lyon: Arezki Boudaoud

Olivier Hamant