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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