Modulation de la surface et du volume des cellules et des organelles – SurVol

OBJECTIF 1 : Les grands changements de forme impliquent souvent des changements de volume ou de surface. La membrane plasmique, comme l'enveloppe nucléaire, se rompt-elle et se répare-t-elle également ? Parce que les événements de rupture sont très probablement dus à une tension superficielle excessive, potentiellement causée par le frottement de la membrane avec le cytosquelette sous-jacent lors d'une déformation rapide, nous visons à comprendre comment la tension superficielle, la surface et le volume sont couplés. En nous concentrant sur la surface cellulaire (cortex d'actine plus membrane plasmique et enveloppe nucléaire (double membrane plus lame), nous étudierons comment le volume cellulaire et nucléaire et la modulation de surface assurent la survie sous de grandes déformations (notez que la partie sur le noyau est au centre de une autre subvention et nous l'incluons ici uniquement pour la cohérence du projet. Les déformations peuvent être soit imposées expérimentalement à l'aide de dispositifs spécifiques (confinement 2D ou écoulement dans un canal de confinement imitant un capillaire sanguin), soit auto-imposées par des cellules se propageant et se déplaçant bien -environnements définis – cela introduit un paramètre important : l'adhésion cellulaire, qui peut provoquer une auto-déformation, mais aussi induit un grand nombre de voies de signalisation déjà bien étudiées.Nous comparerons ainsi systématiquement les phénomènes observés lors de la déformation imposée de cellules non adhésives et lors d'une auto-déformation par adhérence.
OBJECTIF 2 : Application aux cellules dendritiques (CD): ce sont des cellules migratrices professionnelles, et leur fonction dépend fortement de leur capacité de migration. Parce qu'ils migrent à travers les tissus denses sans les perturber, ils doivent constamment adapter leur forme à l'environnement local et ainsi déformer très largement leur corps et leur noyau. Ils affichent une vitesse de migration de plusieurs microns par minute, ce qui signifie que leur vitesse de déformation correspond à la plage dans laquelle nous avons observé une modulation de volume. Nous nous concentrerons sur les DC naviguant dans des environnements complexes, et nous demanderons comment ils parviennent à s'adapter rapidement à la topographie locale, pour pouvoir scanner efficacement un tissu ou suivre un gradient de chimiokine, pour atteindre une cible (par exemple le vaisseau lymphatique le plus proche). Nous partirons de l'adaptation de forme et de la signalisation du cortex cellulaire, puis considérerons la signalisation intracellulaire des organites déformants. Notre objectif avec cette partie du projet est de demander comment les cellules dendritiques adaptent rapidement leur machinerie de migration (acto-myosine), leur forme et potentiellement leur volume et leur tension de surface pour migrer efficacement à travers des environnements complexes, impliquant potentiellement des mécanismes identifiés dans l'objectif 1.

Lié à AIM 1.1 : Nous avons étudié comment le volume cellulaire change lorsque la forme cellulaire change. Nous avons utilisé diverses manières de moduler la forme des cellules et nous avons découvert que ce qui compte, ce n'est pas la forme de la cellule mais la vitesse à laquelle la forme change. Les changements de forme rapides s'accompagnent de changements de volume tandis que les changements de forme lents se produisent à volume constant. Nous avons constaté que cela est dû à un couplage mécano-osmotique se produisant au niveau de la membrane cellulaire, liant les flux ioniques à la tension de la membrane plasmique. Nous avons également montré que cela pouvait expliquer la fluctuation de volume que nous avons observée dans les cellules immunitaires à migration rapide dans des environnements complexes tels que les gels de collagène.
Lié à AIM 1.2 : Nous avons découvert que le confinement cellulaire conduit à la rupture de l'enveloppe nucléaire et à des dommages à l'ADN dépendant de TREX1, induisant éventuellement une EMT partielle et une dégradation du collagène. Nous avons montré que dans le cadre du cancer du sein, ce processus pouvait contribuer à favoriser le passage d'une tumeur in situ à une tumeur invasive.
Lié à AIM 2.1 : Nous avons étudié le mécanisme par lequel le confinement induit des changements de forme cellulaire, conduisant à un mode de migration amiboïde. Nous avons identifié un nouveau processus lié à la formation de bulles stables, basé sur une séquence de transitions dans les propriétés physiques du cytosquelette d'acto-myosine.
Lié à AIM 2.2 : Nous avons finalisé un travail majeur qui avait été présenté comme données préliminaires lors de notre candidature au projet, montrant que le noyau cellulaire et ses déformations servent de règle/capteur pour la forme cellulaire, conduisant à des réponses cellulaires spécifiques par activation de l'enzyme cPLA2. Nous avons démontré les aspects fondamentaux de ce processus dans HeLa et dans les cellules dendritiques et étudié son effet à court terme sur la migration cellulaire. Nous finalisons également actuellement une deuxième partie de l'étude pour les effets à plus long terme sur le comportement des cellules dendritiques. Nous avons découvert que la même voie de la règle nucléaire est activée dans les cellules dendritiques confinées et conduit à la production de cellules tolérogènes, avec une pertinence potentielle dans la régulation de l'auto-immunité.

- AIM 1.1 : Modulation du volume cellulaire lors des changements de forme cellulaire : découverte d'un nouveau mécanisme d'homéostasie de la tension de surface cellulaire basé sur un couplage mécano-osmotique au niveau de la membrane plasmique. Un article est actuellement en révision chez ELife et disponible dans bioRxiv (Venkova et al. 2021)

- AIM 1.2 :(non que pour cette partie du projet aucun financement n'a été demandé à l'ANR). Nous avons découvert que les ruptures de l'enveloppe nucléaire favorisent une transition épithéliale vers mésenchymateuse et favorisent un comportement invasif dans les tumeurs mammaires. Publié dans Nader et al. Cellule, 2021

- AIM 2.1 : Nous avons développé une nouvelle méthode pour mesurer les propriétés physiques du cortex d'actine dans les cellules vivantes. Publié dans Laplaud et al. Science Advances 2021. Nous avons découvert qu'une transition de percolation de rigidité dans le cortex d'actomyosine entraîne la motilité et la morphogenèse des systèmes amiboïdes minimaux et pourrait constituer la base de la morphogenèse et de la motilité des cellules immunitaires rapides. Un article est en préparation (Garcia Arcos et al.)

- AIM 2.2 : Nous avons découvert que le noyau détecte la déformation cellulaire et adapte la machinerie mobile de la cellule à l'environnement. Publié dans Lomakin et al. Sciences, 2020

- AIM 2.2 : Nous avons découvert que les déformations nucléaires, dans les cellules dendritiques, induisent un processus de maturation tolérogène, via l'activation de la voie nucléaire règle/cPLA2. Un article est en préparation. (Alraies et al.).

1. Laplaud V, … Lennon-Duménil AM, …, Piel M, Heuvingh J. Pinching the cortex of live cells reveals thickness instabilities caused by myosin II motors. Sci Adv. 2021
2. Lomakin AJ, …, Lennon-Duménil AM, …, Piel M. The nucleus acts as a ruler tailoring cell responses to spatial constraints. Science. 2020
3. Dolega, M. E., …, Recho, P., & Cappello, G. (2021). Extracellular matrix in multicellular aggregates acts as a pressure sensor controlling cell proliferation and motility. Elife, 10, e63258
4. Rivera C, …, Lennon-Duménil AM*. Epithelial Colonization promotes the Functional Diversification of Gut Dendritic Cells. Immunity, Accepted in Principle
5. Venkova L, …, Piel M. A mechano-osmotic feedback couples cell volume to the rate of cell deformation. 2021. bioRxiv. In revision at ELife
6. Nader GPF, … Piel M. Compromised nuclear envelope integrity drives TREX1-dependent DNA damage and tumor cell invasion. Cell. 2021

Les cellules sont souvent décrites comme des objets quasi sphériques. Cependant, l'environnement dense des tissus les éloigne de cette forme simple. Les cellules peuvent subit des déformations rapides lors de leur migration au travers de tissus denses et lors de la circulation dans les capillaires sanguins. Pourtant, la physique et la biologie des grandes déformations cellulaires a été très peu étudiée. Nos expériences préliminaires montrent que la plupart des cellules survivent étonnamment bien, même en se déformant au dixième de leur diamètre en moins d’une seconde, et que ces déformations induisent des réponses rapides, telles que la perte de volume et l’activation de la contractilité. Dans ce projet, nous proposons d'établir les principes physiques et les mécanismes biologiques permettant aux cellules de subir de grandes déformations, puis d'étudier les réponses cellulaires associées et leur importance pour la migration des cellules immunitaires dans des tissus complexes.