Emergence d'ondes de vitesse à longue portée et patterning dans les modèles de tissus biologiques – SupraWaves

**SupraWaves et divergence transctiptomique**

Ce travail vise à déterminer si les cellules conservent une mémoire épigénétique des SupraWaves en développant une approche expérimentale en trois étapes : la génération contrôlée des SupraWaves, le tri des cellules selon leur position dans l’onde (nœuds ou ventres), puis la comparaison de leur expression génétique.

Tout d’abord, le système expérimental a été optimisé afin de produire des SupraWaves stables, en ajustant la taille des motifs de confinement, les conditions d’adhésion cellulaire et la fenêtre temporelle avant l’arrêt des mouvements collectifs. Ensuite, les cellules ont été marquées et triées selon leur position dans l’onde grâce à un marquage photoactivable et à la cytométrie en flux, en veillant à limiter les biais expérimentaux. Enfin, les sous-populations cellulaires ainsi isolées ont été analysées par séquençage ARN, après un contrôle qualité strict, afin de comparer leurs transcriptomes.

**Nature physique des SupraWaves**

Pour comprendre la nature physique des SupraWaves, nous avons développé un modèle expérimental in vitro de tissus suspendus, constitués de cellules dont la contractilité peut être contrôlée par la lumière. Ce système permet d’étudier comment des contractions locales se propagent au sein d’un tissu multicellulaire.

Les tissus sont reconstitués dans une matrice de collagène et suspendus entre des piliers déformables, ce qui permet de mesurer les forces internes et les déformations. En déclenchant localement la contraction par illumination, nous analysons la propagation des contraintes, et observons l’émergence de vagues de contractilité périodiques.

Un protocole complet a été développé, allant de la génération contrôlée des SupraWaves jusqu’à l’analyse du transcriptome cellulaire. Des monocouches de cellules épithéliales MDCK, confinées sur des bandes étroites, génèrent spontanément des ondes stationnaires de vitesse. Ces ondes sont caractérisées par imagerie en time-lapse, puis les cellules sont sélectionnées selon leur position dans l’onde (nœuds ou ventres) par photoactivation ciblée et tri par cytométrie en flux. Les sous-populations ainsi isolées sont analysées par séquençage ARN, puis validées par immunofluorescence.

L’analyse transcriptomique révèle une divergence modérée entre les cellules situées aux nœuds et celles situées aux ventres des SupraWaves. Sur plus de 15 700 gènes analysés, seuls quatre présentent une expression différentielle significative : les métallothionéines MT1 et MT2 sont surexprimées dans les ventres, tandis que GADD45B et RYR3 le sont dans les nœuds. Cette divergence limitée suggère un effet mécanique spécifique mais modéré des SupraWaves, cohérent avec l’amplitude relativement faible du stimulus généré par le mouvement collectif. La surexpression spatiale de MT1 et MT2 a pu être confirmée par immunofluorescence.

Parallèlement, la nature physique des SupraWaves a été explorée à l’aide de micro-tissus tridimensionnels constitués de cellules modifiées par optogénétique et encapsulées dans une matrice de collagène. Ce modèle permet de déclencher localement des contractions cellulaires par la lumière et d’en mesurer la propagation mécanique. Ces expériences montrent que des contractions locales peuvent se propager sous forme d’ondes contractiles, avec un décalage temporel mesurable entre contrainte et déformation. Dans certaines conditions, une stimulation unique suffit à déclencher des contractions périodiques auto-entretenues, se propageant pendant plusieurs heures.

Enfin, l’étude révèle un comportement mécanique inattendu des tissus biologiques soumis à une compression isotrope : au lieu de se contracter, les micro-tissus s’allongent de manière active. Cette réponse, dépendante de l’activité actomyosine, correspond à un comportement « anti-élastique », impossible pour un matériau passif. Ce mécanisme actif pourrait expliquer comment des ondes contractiles périodiques peuvent être entretenues dans des tissus très visqueux, et constitue une piste clé pour comprendre l’origine et la persistance des SupraWaves.

Les perspectives du projet s’articulent autour de deux axes majeurs:

Clarifier la relation de causalité entre SupraWaves et expression génétique

Nos résultats établissent une corrélation entre les SupraWaves et l’expression différentielle des gènes MT1, MT2, Gadd45B et RYR3, mais la question centrale reste ouverte : ces gènes favorisent-ils l’émergence des SupraWaves, ou est-ce l’inverse ?

Pour y répondre, deux expériences clés sont à envisager :

Inhibition ciblée des gènes. Utiliser des siRNA pour silencer sélectivement MT1, MT2, Gadd45B et RYR3, afin d’observer si les SupraWaves disparaissent en cas de sous-expression. Cela permettrait d’identifier si ces gènes sont à l’origine du phénomène.

Perturbation optogénétique des SupraWaves. Bloquer la contractilité cellulaire via l’optogénétique pour supprimer les SupraWaves et vérifier si la divergence transcriptomique persiste. Cette approche pourrait confirmer que l’expression génétique différentielle est bien une conséquence mécanique.

Renforcer les collaborations et les moyens techniques

Ces expériences, bien que conceptuellement simples, nécessitent une expertise et des ressources spécifiques que le consortium ne maîtrise pas. Leur mise en œuvre aurait donc représenté un investissement important en temps et en moyens, et pourrait plus tard s’appuyer sur de nouveaux partenariats scientifiques. Ces perspectives ouvrent la voie à une compréhension plus fine des mécanismes sous-jacents aux SupraWaves et à leur rôle dans la régulation génétique.

Le projet vise à étudier le rôle des ondes de vitesse auto-entretenues dans l’émergence d’une organisation supracellulaire.
Plusieurs travaux récents montrent que des ondes de vitesse apparaissent spontanément dans des colonies de cellules épithéliales. Ces ondes apparaissent à la fois dans les couches épithéliales en passe de s'étaler, et dans des couches spatialement confinées. Ces ondes sont aussi corrélées à des oscillations des forces exercées par les cellules sur le substrat. Nous avons récemment développé un assay in vitro qui amplifie ce phénomène ondulatoire: lorsque des cellules sont confinées sur des motifs quasi-1D (des bandes adhésives) des ondes stationnaires de vitesse stationnaires apparaissent clairement. Ces ondes sont caractérisées par une longueur d'onde précise, bien supérieure à la taille de la cellule, et une période courte vis-à-vis de la durée du cycle cellulaire. Ni la longueur d’onde ni la période dépendent de la longueur de la bande de confinement.
Dans ce projet, nous émettons l'hypothèse que ces ondes stationnaires induisent une divergence transcriptomique spontanée entre les cellules situées dans les nœuds et celles situées dans les ventres de l'onde stationnaire. En fait, un étirement et compression périodique des cellules pourrait conduire à l'émergence d'une structuration supracellulaire, par un mécanisme alternatif à celui de réaction-diffusion proposé par Turing. Un mécanisme potentiellement à l'origine d'événements de morphogenèse.

Nous avons identifié trois objectifs principaux:

1. Déterminer les ingrédients physiques et biologiques minimaux conduisant à l’émergence d’ondes collectives. Dans un milieu très dissipatif, les oscillations périodiques à long terme n'apparaissent pas spontanément en l'absence d'une boucle active de rétroaction. Nous effectuerons des expériences in vitro et développerons le cadre théorique permettant de comprendre comment la dynamique d’une cellule individuelle conduit à l’émergence d’ondes collectives dans un contexte multicellulaire.

2. Tester la résilience des ondes collectives aux perturbations physiques et biochimiques externes. En utilisant l'optogénétique, nous imposerons des patterns de contractions incongrues, avec des périodes spatiales et/ou temporelles différentes de celles naturelles de l'onde.

3. Déterminer l'impact biologique à court et à long terme des ondes stationnaires sur l'expression génétique, la prolifération et la différenciation cellulaires, ainsi que sur l'architecture cellulaire et l'organisation supracellulaire. Nous analyserons d’abord les structures du cytosquelette et du noyau, pour évaluer l’effet des ondes collectives sur l’organisation multicellulaire. Nous analyserons ensuite l’effet des ondes collectives sur la transcription. Finalement, nous évaluerons la progression du cycle cellulaire, l'apoptose, le métabolisme et la différenciation cellulaires.