Mecanotransduction au noyau chez les plantes: de l'organisation de le chromatine au destin cellulaire – Mecha-NUC

Mise en place de différentes lignées transgéniques d'Arabidopsis co-exprimant des marqueurs fluorescents du cytosquelette (microtubules ou actine, marqueurs verts) et de l’enveloppe nucléaire (marqueur rouge) dans des plantes sauvages ou mutées. Différents outils en microfluidiques et micromécaniques ont été développés.

A l’échelle tissulaire :

- Analyses protéomiques et transcriptomiques en condition de stress mécanique expérimental (stress hyper-osmotique)

- tests de modélisation de l’organisation de la chromatine en périphérie de l’enveloppe nucléaire

A l’échelle cellulaire :

- Analyse de la dynamique du cytosquelette et noyau par microscopie à haute résolution sur le poil racinaire en puces microfluidiques

- Modélisation mathématique du développement du poil racinaire en intégrant les forces mise en jeu à l'enveloppe nucléaire

- Mesure AFM sur le poil racinaire dans les régions du manchon et proches de la pointe du poil racinaire

- Compression du poil racinaire ou de protoplastes isolés à partir de racines

-tests de modélisation de l’organisation de la chromatine en périphérie de l’enveloppe nucléaire

Nos résultats majeurs portent sur l'impact des changements dynamiques du cytosquelette et de la dynamique du noyau sur la croissance du poil racinaire chez Arabidopsis en utilisant des puces microfluidiques . Nous avons suivi la dynamique du cytosquelette (microtubules, filaments d'actine) ainsi que celle du noyau dans des plantules exprimant des marqueurs fluorescents du cytosquelette et du noyau par imagerie en temps réel à haute résolution. Nous avons identifié trois stades distincts – croissance rapide, croissance lente et maturation précoce – et quantifié la cinétique de croissance avec une résolution temporelle à haute résolution. La transition de la croissance rapide à la croissance lente est associée à des changements dynamiques du cytosquelette, entraînant une réduction de la croissance apicale et une diminution de la distance entre le noyau et la pointe du poil racinaire. À partir de ces observations, nous avons développé un modèle mathématique reliant la dynamique du cytosquelette et du noyau à la croissance apicale en intégrant les forces mises en jeu à l'enveloppe nucléaire. Grâce à des approches génétiques et pharmacologiques, nous avons pu perturber ou déclencher cette transition, confirmant ainsi le modèle et révélant une interaction essentielle entre les filaments d'actine et les microtubules à l'enveloppe nucléaire.

La dynamique de la vacuole ainsi que le diamètre et rigidité cellulaire varie au niveau de la région sous apicale lors de la transition de la croissance rapide à la croissance lente, indiquant une régulation coordonnée de plusieurs systèmes subcellulaires.

Par ailleurs la croissance des poils racinaires sur différentes concentrations d'agar peut être corrélée à un stress mécanique induit par des changements de rigidité du substrat. Ainsi une augmentation de rigidité du substrat conduit à un ralentissement de la croissance du poil racinaire et une réduction de la vitesse de déplacement du noyau dans le poil. Finalement afin de corréler des changements dynamiques de forme du noyau à l'organisation 3D de la chromatine, des outils d'analyse statistique ont été développés (programme BIP).

Mecha-NUC représente un tremplin vers la modélisation de la croissance apicale en intégrant différents paramètres comme la dynamique du cytosquelette, du noyau (forme, mouvement, chromatine périphérique) ainsi que sa mécanique cellulaire (modèle visco-élastique).

Ce projet sera poursuivi dans le cadre d'un programme CNRS-MITI entre P1 et P2, et en collaboration avec P3 pour aborder plus en détails la dynamique des changements de l'organisation spatiale de la chromatine, sa modélisation ainsi que les réponses épigénétique et transcriptionnelle après un stress mécanique appliqué sue cellule unique en puces microfluidiques.

Ceci devrait permettre d’aboutir à une meilleure compréhension de la croissance racinaire et d’améliorer des caractères agronomiques pour la croissance des plantes dans différentes conditions de stress environnementaux (osmotiques, mécaniques).

Tous les organismes vivants sont capables de détecter des forces mécaniques telles que compressions, tensions ou cisaillements. La transduction de tels signaux mécaniques contribue aux modifications de la forme de la cellule et au destin cellulaire. Les voies associées à la mécanoperception commencent à être déchiffrées au cortex cellulaire, cependant les voies de mécanotransduction nucléaire, intégrant les propriétés mécaniques du noyau à l’expression génétique et au destin cellulaire, restent floues. Nos travaux, récemment publiés dans Current Biology, indiquent que des perturbations mécaniques physiologiques appliquées aux cellules du méristème racinaire de la plante modèle Arabidopsis modifient la forme, la rigidité et la compaction de la chromatine des noyaux ainsi que l'expression de gènes mécanosensibles. Les protéines GIP sont présentes à l'enveloppe nucléaire. Elles contrôlent la forme et la rigidité du noyau, la nucléation des microtubules et l'architecture des centromères. Les modifications dépendantes de GIP des propriétés rhéologiques du noyau peuvent également affecter le destin cellulaire. Sur la base de nos données, nous émettons l'hypothèse que, chez les plantes, l’enveloppe nucléaire intègre des signaux mécaniques périphériques pour contrôler les propriétés mécaniques du noyau, l'état de la chromatine et l'expression des gènes. Dans le projet Mecha-NUC, nous aborderons 2 questions principales chez les plantes : Quelles sont l'identité et la fonction de la voie de mécanotransduction nucléaire ? Et dans quelle mesure les changements qui en résultent dans les propriétés mécaniques du noyau affectent la chromatine, l'expression des gènes et la destinée cellulaire? Les questions que nous abordons sont inédites chez les plantes et ouvrent de nouvelles voies dans la compréhension de la mécanotransduction nucléaire chez les cellules possédant une paroi cellulaire à l’échelles cellulaire et tissulaire. En se focalisant sur les mécanismes de signalisation impliquant GIP et les microtubules, en relation avec des protéines du nucléosquelette spécifiques des plantes, nous décrypterons une nouvelle voie de mécanotransduction. Notre projet se situe à l’interface entre biologie cellulaire et biophysique. Il comprend des approches de micromécanique, de biologie moléculaire à l’échelle omique, ainsi que de l'imagerie in vivo à haute résolution et de la modélisation 3D informatique.