Filaments intermédiaires: du filament unique au réseau – SiFi2Net

Ce projet a utilisé des méthodes innovantes et multidisciplinaires pour fournir une description quantitative des FI à plusieurs échelles, du filament unique et isolé à l'ensemble du réseau présent dans la cellule. Pour ce faire, nous avons utilisé deux approches complémentaires : (i) une approche « top-down » dans laquelle, partant d'une cellule vivante, nous avons supprimé les composants impliqués un par un pour étudier leur influence sur l’organisation et la dynamique des FI, et (ii) une approche « bottom-up », qui a visé à reconstituer l’assemblage des FI étape par étape, à partir de composants purifiés placés dans un environnement simple et bien maîtrisé. Nous avons utilisé des astrocytes, cellules gliales les plus abondants dans le cerveau, comme modèle d’étude pour la migration, ainsi que des lignées de gliomes comme modèle de cellules cancéreuses. Le développement d’outils de microscopie de pointe comme l’imagerie de super-résolution a permis d’améliorer de façon significative les résolutions spatiale et temporelle, ce qui a été essentiel pour élucider le rôle des FI dans la migration. Pour les expériences in vitro, nous avons utilisé des méthodes de détection de molécules individuelles pour étudier l’élongation de filaments in situ.

Dans la cellule, nous avons montré que, lors de la polarisation cellulaire, le transport rétrograde des FI est inhibé, ce qui indique que la signalisation associée à la polarité régule la dynamique des FIs. Nous avons également développé une méthode pour caractériser l’organisation structurale des FI qui a permis de comprendre le lien entre leurs propriétés mécaniques et structurales. Enfin nous avons montré que les FIs n’étaient pas sous tension dans la cellule, ce qui était surprenant étant donné leur fonction mécanique de protection de la cellule. Les expériences de reconstitution in vitro ont permis de montrer que l’assemblage des FIs est réversible, ce qui avait été négligé jusqu’à présent.

Les perspectives de projet concernent l'étude de la régulation mutuelle des différents types de cytosquelette : actine, microtubules et filaments intermédiaires. Le but est de comprendre comment la morphologie dynamique des réseaux composites de cytosquelette est déterminée par ses composants moléculaires et comment ils régulent leurs propriétés mutuellement, soit directement, soit par l'intermédiaire de protéines spécifiques les reliant, et comment ces interactions sont modulées par des contraintes externes.

Nos travaux ont permis la publication de 9 articles dans des revues internationales à comité de lecture de renom, plus 3 articles en cours de publications, et 2 en cours de rédaction.

Les filaments intermédiaires (FI) sont l'un des trois principaux constituants du cytosquelette des cellules animales avec les
filaments d'actine et les microtubules, mais ils restent les moins bien compris des trois malgré les nombreuses études les
concernant. Dans la cellule, les FI forment un vaste réseau qui relie la membrane plasmique aux autres organelles et au
noyau. Pendant longtemps, les FI étaient considérés comme des biopolymères statiques impliqués simplement dans le
maintien de l'intégrité structurelle et la forme des cellules. De récentes découvertes ont cependant indiqué qu’ils
présentent aussi des propriétés dynamiques qui sont importantes pour des processus aussi divers que l'organisation, la
mécano-transduction ou la signalisation cellulaire. En outre, on a découvert que plus de 95 maladies sont liées à des
mutations des protéines de FI. Dans certains cas, la maladie découle d’une altération de leurs propriétés mécaniques,
mais de nombreuses maladies résultent également d’autres types d’altérations. Il a aussi été montré que le niveau
d'expression des protéines de FI augmente de façon importante dans les gliomes, principaux et très agressifs cancers du
cerveau. Cette surexpression est corrélée avec des capacités de migration et d’invasion grandement accrues. Il semble
donc crucial de mieux comprendre les propriétés dynamiques des FI et la façon dont elles sont modifiées dans les états
pathologiques, en particulier en vue d’applications dans de nouvelles stratégies thérapeutiques.
Le but de ce projet est d'élucider les mécanismes physiques responsable des propriétés dynamiques des FI et de
comprendre comment celles-ci affectent la migration cellulaire et peuvent être contrôlées. A l’interface entre la physique et
la biologie, ce projet utilisera des méthodes innovantes et multidisciplinaires pour fournir une description quantitative des
FI à plusieurs échelles, du filament unique et isolé à l'ensemble du réseau présent dans la cellule. Pour ce faire, nous
utiliserons deux approches complémentaires: (i) une approche « top-down » dans laquelle, partant d'une cellule vivante,
nous supprimerons les composants impliqués un par un pour étudier leur influence sur l’organisation et la dynamique des
FI, et (ii) une approche « bottom-up », qui vise à reconstituer l’assemblage des FI étape par étape, à partir de composants
purifiés placés dans un environnement simple et bien maîtrisé. Nous utiliserons des astrocytes, cellules gliales les plus
abondants dans le cerveau, comme modèle d’étude pour la migration, ainsi que des lignées de gliomes comme modèle
de cellules malades. Grâce à l’approche sur cellules vivantes, nous étudierons les mécanismes d’assemblage et de
mouvement des FI, ainsi que leur régulation durant la migration de cellules saines d’une part et malades d’autre part. Le développement d’outils de microscopie de pointe comme l’imagerie de super-résolution permettra d’améliorer de façon
significative les résolutions spatiale et temporelle, ce qui est essentiel pour élucider la modulation exacte du rôle des FI
dans la migration. Pour les expériences in vitro, nous développerons un système de microscopie fondé sur la détection de
molécules uniques combinée avec un montage microfluidique permettant d’étirer des filaments individuels. Ce système
sera d’abord utilisé pour étudier l’élongation de filaments in situ, puis pour étudier le rôle de protéines interagissant avec
les FI ainsi que le lien avec les autres types de cytosquelette.
L’ambition de ce projet est de combler l’écart qui existe entre les données in vitro et dans la cellule, ce qui ouvrira la voie à
une compréhension fondamentale des fonctions physiologiques des FI. De plus une meilleure connaissance des
mécanismes moléculaires impliqués dans les altérations des FI est essentielle pour améliorer le diagnostic de pathologies
comme certains cancers ou maladies neurodégénératives et ainsi d’envisager de futurs traitements thérapeutiques plus
appropriés.