Approche multi-échelle du couplage mécano-chimique dans la régulation du cytosquelette d'actine – MuScActin

La mécanique est inhérente à la vie d’une cellule, qui interagit avec son environnement et génère des forces internes pour s’organiser. Le couplage entre la mécanique du cytosquelette d’actine et l’activité de ses protéines régulatrices s’impose aujourd’hui comme un défi essentiel pour comprendre la physiologie des cellules et de nombreuses pathologies. Notre objectif est d’étudier ce couplage en parallèle à l’échelle du filament et celle des réseaux qu’elle forme dans la cellule à la fois expérimentalement et théoriquement. Pour surmonter les limitations expérimentales actuelles, notre consortium associe des partenaires expérimentaux ayant récemment développé de nouvelles techniques permettant d’étudier quantitativement ce couplage aux deux échelles et un partenaire théorique qui développe des modèles liant déformations individuelles des filaments et déformation globale du réseau. Notre approche multi échelle associant expériences et théorie nous permettra de décrire quantitativement le couplage entre biochimie et mécanique dans la dynamique de l’actine dans la cellule.
Pour ce projet, nous avons identifié trois grandes questions biologiques sur la dynamique des réseaux d’actine à différentes échelles de temps : l'interaction des protéines régulatrices aux temps courts, lors de la croissance, et lors du désassemblage du réseau d'actine (taches 2-4). Parallèlement nous nous intéresserons à une question fondamentale de la science des matériaux visant à relier les déformations de filaments individuels et la déformation macroscopique dans un réseau de polymères semi-flexibles ou rigides (tache 1).

D’un point de vue théorique, nous développerons une nouvelle approche de l'élasticité des réseaux de fibres. Notre modèle sera basé sur les contraintes mécaniques induites par les enchevêtrements résultant de grandes déformations internes non-affines. Les données expérimentales, acquises en grand nombre permettra de nourrir et de tester ce modèle pour clarifier la mécanique de ce type de réseaux.
Aux temps courts, nous étudierons le couplage entre la mécanique et l’action de protéines régulatrices. Nous étudierons l’influence de la mécanique sur l’association et la dissociation des protéines régulatrices aux filaments d’actine à l’échelle isolée et dans les réseaux. Nos résultats fourniront la première étude multi-échelle de la régulation mécanique et chimique de l'actine et permettront d'élucider le rôle mécano-senseur des filaments d'actine.
Notre objectif suivant est de comprendre la construction du réseau et la génération de force qui peut en résulter. Nous étudierons l'impact des contraintes mécaniques sur la réaction individuelle de branchement et sur la polymérisation. Nous suivrons la vitesse de croissance et la densité de réseaux branchés en fonction des forces appliquées, ce qui nous permettra de proposer la première étude complète du couplage entre force et vitesse dans des réseaux d’actine en croissance.

Notre dernier objectif est de comprendre la réorganisation de réseaux sous contraintes mécaniques aux temps longs. Cette réorganisation est importante pour la régulation de l'actine dans la cellule où les réseaux de filaments sont continuellement assemblés et désassemblés et soumis à des contraintes mécaniques. Le couplage entre l'activité des protéines de débranchement et de fragmentation et les déformations mécaniques sera étudié pour la première fois à l'échelle des filaments individuels et des réseaux.
Globalement, notre projet aborde des questions clés permettant d'élucider la régulation mécano-chimique de l'assemblage de l'actine, des réactions moléculaires aux cellules vivantes et des temps courts aux temps longs. Pour atteindre ses objectifs ambitieux, notre projet bénéficie de techniques expérimentales de pointe qui permettront la collecte de grands volumes de données quantitatives à différentes échelles, en synergie avec le développement de nouveaux modèles théoriques.