Contrôle moléculaire de l'organisation du cortex d'actine et de ses transitions de phases – ActinArchitect

Les réseaux d'actine s'organisent en diverses architectures au sein des cellules, afin de réguler de nombreuses fonctions cellulaires essentielles telles que la motilité, la division ou l'endocytose. Traditionnellement, ces structures d'actine (lamellipodes, filopodes, fibres de stress) ont été étudiées isolément. Des études récentes montrent cependant que ces différentes organisations sont intégrées mécaniquement au sein du cortex d'actine - un réseau dynamique de filaments d'actine, de moteurs (myosine) et de protéines accessoires couplées à la membrane plasmique. Non seulement le cortex se transforme en différentes organisations, mais il intègre aussi des structures mécanosensibles, comme les fibres de stress, qui génèrent des forces à l’échelle de la cellule. Une question clé est donc de savoir comment s’assemblent ces diverses organisations dans un cortex d’actine dynamique en constant renouvellement.

La formation de fibres de stress dans le cortex pose de nouvelles hypothèses qui n'ont pas encore été testées. Tout d'abord, la formation de fibres de stress pourrait être due à une augmentation globale de l'activité de la myosine, entraînant l’alignement et l’agrégation spontanée des filaments. Deuxièmement, les fibres de stress pourraient émerger d'un changement local dans la composition des protéines (myosines, ‘crosslinkers’, nucléateurs) favorisant l'alignement de l'actomyosine. Enfin, elles pourraient émerger en réponse à une contrainte mécanique locale, par un mécanisme d'auto-renforcement.

Ces hypothèses reposent sur des résultats récents et sur nos études préliminaires, mais n'ont jusqu'à présent pas été testées dans des expériences ni modélisées moléculairement. Ceci est dû aux limitations expérimentales pour contrôler les interactions protéine-protéine dans les cellules, et au manque de modèles théoriques qui relient la mécanochimie au niveau moléculaire à l'organisation à l’échelle du réseau. Répondre à ces questions est un défi: elles nous obligent à dépasser ces limitations afin de déchiffrer les synergies et les boucles de rétroaction entre composants mécanochimiques. De plus, cela nous impose d’aller au-delà des approches existantes, en tenant compte du renouvellement des filaments.

Nous proposons une intégration unique d'expériences de reconstitution de réseaux in vitro et de modélisation théorique, afin de révéler les principes moléculaires et physiques par lesquels les réseaux d'actine sont construits et organisés dans le cortex cellulaire. Le partenaire 1 développera de nouvelles approches in vitro, pour manipuler les facteurs moléculaires contrôlant la dynamique du réseau (nucléation, connectivité, stress actif). Parallèlement, le partenaire 2 construira un modèle théorique du cortex, en intégrant les données des réactions individuelles et de la mécanique à l'échelle moléculaire fournies par le partenaire 1. Ce modèle générera des prédictions à l'échelle du réseau, ensuite testées par le partenaire 1.

À l'aide de ces outils, nous pourrons reconstituer des réseaux d'actomyosine dynamiquement stables, proches de ceux du cortex, et identifier un modèle physique minimal pour ces structures dissipatives en constant renouvellement. Nous déterminerons comment les propriétés mécanochimiques pour assurer la transition entre structures désordonnées et l’émergence de fibres de stress ordonnées. Notre approche réitérative unique, de la modélisation à l'expérimentation et vice-versa, révélera les principes par lesquels ces modules mécanochimiques fonctionnent collectivement pour maintenir l'homéostasie ou exploiter les instabilités dynamiques pour former des structures cellulaires. Nous anticipons que ce projet transformera le paradigme actuel, montrant que des réseaux d'actine, plutôt que d'être construits indépendamment, peuvent être intégrés mécaniquement dans le cortex et émerger via des transitions de phase.