DS04 - Vie, santé et bien-être

Rôles de l’adhésion et des forces mécaniques dans la polarisation cellulaire et tissulaire – POLCAM

Adhésion cellulaire et forces mécaniques dans la polarisation cellulaire et tissulaire

La polarisation avant-arrière des cellules uniques ait été bien décrite mais, on en sait peu sur la polarisation coordonnée des cellules au sein de monocouches épithéliales. La polarisation d'une cellule unique peut émerger d'une transition mécanosensible du cytosquelette d'actomyosine. Cependant, il n'était pas clair comment et dans quelle mesure cette rupture de symétrie est propagées dans une monocouche de cellules et le rôle joué par les jonctions cellule-cellule.

Le projet avait pour objet l'influence des forces sur la polarisation cellulaire dans la migration collective.

Dans ce projet, nous nous sommes donc concentrés sur l'influence de l'interaction entre l'adhésion et le cytosquelette actif sur l'acquisition de la polarisation pendant la migration collective des cellules. Ceci a été développé et remis en question à la fois expérimentalement et théoriquement. L'objectif principal de ce projet interdisciplinaire était d'identifier comment les signaux mécaniques sont détectés et transmis pour réguler la polarisation avant-arrière de la cellule unique à l'échelle du tissu.

Nous avons exploré l'influence des contraintes mécaniques médiées par l'adhésion cellulaire sur l'émergence de l'anisotropie du cytosquelette dans des modèles cellulaires 1D simplifiés obtenus en plaçant des doublets de cellules épithéliales de mammifères (MDCK) et des ensembles cellulaires sur des substrats micropatinés (lignes, cercles ou disques). Nous avons déterminé les influences combinées de la rigidité du substrat et des complexes cadhérine-caténine liés au cytosquelette d'acto-myosine. La rigidité du substrat a été contrôlée par la composition des gels de polyacrylamide utilisés comme substrat qui permettent en outre de mesurer les forces exercées par les cellules. Les jonctions intercellulaires ont été modulées en réduisant au silence ou en surexprimant l'E-cadhérine et des formes mutantes d'E-cadhérine déficientes pour l'ancrage à l'acto-myosine. Le rôle de l'actomyosine a été étudié grâce à la perturbation pharmacologique ou au silencing de l'expression de l'isoforme de la Myosine II. Nous avons testé ainsi notre hypothèse de travail selon laquelle la transmission des forces au niveau du substrat cellulaire et des contacts cellule-cellule peut favoriser la rupture de la symétrie du cytosquelette et la polarisation non seulement au niveau de la cellule unique mais aussi dans les doublets de cellules et les collectifs de cellules plus importants. Les données quantitatives de ces expériences ont permis d'alimenter des modèles théoriques pour décrire l'émergence de la polarisation des assemblages de petites cellules.

Nos deux résultats majeurs obtenus durant ce projet sont : 1) le découverte d’un nouveau mode de polarisation et couplage mécanique entre cellules migrant collectivement dans un système fermé ayant une implication physiologique développementale forte (Nat. Phys. 2020), 2) la mise en évidence du rôle des forces actives dans le tri de populations de cellules se comportant comme des particules nématiques (Nat. Mater. 2021). Par ailleurs nous avons également approfondi notre compréhension des mécanismes : 1) de rupture de symétrie en cellules uniques, 2) de formation des jonctions intercellulaires, 3) et de réparation des blessures épithéliales.

Dans l'ensemble, même si nous n'avons pas été en mesure d'identifier de nouvelles voies de signalisation biomécanique reliant l'adhésion cellule-cellule et la polarité de la cellule unique dans une population cellulaire complexe, notre recherche a permis d'atteindre plus que tous les objectifs que nous avions identifiés initialement. Nos publications sont déjà bien citées, ce qui indique qu'elles ont déjà eu un impact significatif dans le domaine. Le développement en cours d'outils optogénétiques devrait nous permettre de progresser davantage dans notre dissection des voies de mécanosignalisation associées.
L'étude de ces mécanismes fondamentaux de la mécanique cellulaire a fourni des informations biologiques et biophysiques fondamentales sur les processus de comportement collectif des cellules. La meilleure compréhension de la façon dont les cellules, individuellement ou collectivement, sondent et répondent aux propriétés mécaniques de leur environnement élargit notre compréhension actuelle de la mécanotransduction à l'échelle de la cellule et du tissu. Le nouveau modèle de couplage mécanique entre des cellules épithéliales migrant collectivement permet de mieux comprendre le mode de migration entrepris par les cellules au cours du développement et du renouvellement homéostatique des tissus, comme nous l'avons discuté dans notre récente revue pour Current Opinion in Cell Biology. Nos résultats précisent également les rôles critiques de la mécanique dans l'établissement du plan corporel, dont la dérégulation est associée à un ensemble de pathologies humaines.

Le financement de ce projet a permis de publier au moins 5 publications originales majeures : Elife 2019, Nat. Phys. 2020, 2x Nat. Comm. 2021, Nat. Mater, 2021 relatant des découvertes au cœur des objectifs de POLCAM. Il a également permis de produire des résultats publiés dans 17 autres publications originales. Nous avons également synthétisé nos travaux dans 3 publication de revue. Une pièce maitresse de nos découvertes est encore en cours de réévaluation pour publication et disponible sur BioRxiv : www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.10.483785v1.

La polarisation avant-arrière requise pour une migration cellulaire efficace résulte d'une rupture de symétrie dans l'organisation cellulaire. Les cellules anales ont toutefois évolué et optimisé différents modes de motilité, par exemple la migration cellulaire unique et collective. Les mêmes mécanismes de motilité sont utilisés par les cellules malignes pendant la progression du cancer. La migration cellulaire à la fois des cellules isolées et lorsqu'elles se déplacent collectivement est donc d'une importance fondamentale dans de nombreux domaines de la biologie, et l'émergence de la polarité avant arrière de la cellule ces processus est une question ouverte que nous aborderons dans cette proposition. La migration cellulaire et la polarisation ont récemment attiré beaucoup d'intérêt dans le domaine de la physique, car il s'agit d'un exemple clair où un phénomène biologique clé est étroitement lié aux concepts physiques tels que les forces, les frottements et les flux. Du point de vue de la physique, la motilité cellulaire est un excellent exemple d'auto-propulsion, où l'auto-organisation des forces produites en interne entraîne une rupture de la symétrie et du mouvement polarisé. Le problème de la motilité cellulaire est donc un sujet où la biologie et la physique se rencontrent et où les données expérimentales peuvent être utilisées pour construire des modèles théoriques quantitatifs basés sur des concepts physiques.
Si la rupture de symétrie et la maintenance de la polarité avant-arrière des cellules isolées et des cellules au front de migration d'un tissu commencent à être bien comprises, la situation est beaucoup plus complexe pour les cellules qui migrent dans la masse d'un épithélium compact. La complexité des modèles de migration et le maintien des interactions physiques entre les cellules voisines ajoutent un niveau de complexité qui entrave jusqu'à maintenant une compréhension biologique et physique des processus de rupture de symétrie et de polarisation à l'échelle du collectif et de la cellule individuelle au sein le collectif. L'objectif de notre projet interdisciplinaire est de déchiffrer des points de vues physique et biologie comment la transmission de la force et la signalisation biomécanique associées aux contacts cellule-cellule influent sur la polarisation dans les ensembles de cellulaires épithéliales migrant collectivement. Pour ce faire, notre consortium combine une gamme multidisciplinaire de compétences comprenant la microfabrication, la biologie cellulaire expérimentale, l'imagerie fonctionnelle des cellules vivantes, l'opto-génétique et la biophysique avec la modélisation théorique. Nous visons à identifier comment les forces générées par le cytosquelette et la transmission de la force intercellulaire participent à la polarisation et à la coordination des cellules dans des systèmes modèle simplifiés in vitro at dans des tissus ex vivo. Nous explorerons l'émergence de la polarisation avant-arrière et de la polarisation coordonnée de la cellule unique aux ensembles multicellulaires. Nous analyserons comment le couplage mécanique des contacts intercellulaire induit une symétrie dépassant le niveau de cellule unique. Nous caractériserons la polarisation émergeant lors de la migration cellulaire collective. Nous déterminerons comment les signaux mécanochimiques intercellulaires régulent la polarisation à l'échelle des tissus. Nous nous attendons à ce que nos résultats fournissent de nouveaux concepts sur les propriétés émergentes des assemblages multicellulaires ainsi qu'un cadre quantitatif pour comprendre certains des principes généraux qui régissent l'établissement du plan corporel et la réparation des tissus, et la façon dont leur déréglementation peut conduire à une maladie.

Coordination du projet

René Marc MEGE (Institut Jacques Monod)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IJM - CNRS Paris-Villejuif Institut Jacques Monod
CNRS Institut Jacques Monod
UPMC Laboratoire Jean Perrin

Aide de l'ANR 562 800 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 36 Mois

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