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Décoder la mécano-transduction: coordination spatiale et temporelle des signaux mécaniques et biochimiques – DeMeTr

Décoder la mécano-transduction : coordination spatiale et temporelle des signaux mécaniques et biochimiques.

Les cellules et les tissus sont capables de sentir et de répondre à leur environnement physique grâce à un ensemble de processus nommé mécanotransduction. Le système est fortement dynamique et la transduction du signal a lieu dans les deux directions: de la mécanique vers la biochimie et vice versa. La coordination dans l'espace et dans le temps des signaux mécaniques et biochimiques n'est pas encore claire et rarement traitée.

Décoder la mécanotransduction en testant la transduction du signal dans les deux directions

We address the mechanotransduction from an original point of view: the cell is considered as an active and dynamic system which filters and transforms signals in a bidirectional manner. The main goal of this fundamental work is to decode the mechanotransduction, in other words to understand the rules which lead to specific responses for particular stimulations. Hence, we will be able to foresee the response according to the stimulus and for instance apply determined mechanical stimulation in order to obtain the desired biochemical response. The discovery of the parameters which encode that communication will lead to substantial progress in the understanding of the coordination in space and time of these two types of signals.

To attain this goal, it is essential to have the dynamical control of both mechanical and biochemical cues on the same cell. To the extent of my knowledge, the measurement and the spatiotemporal control of the mechanical strains and of the biochemical activity have never been achieved together on the same experimental system. It is therefore necessary to develop and combine different state-of-the-art experimental approaches to achieve the ultimate goal of the project which is to test the signal transduction in both ways on the same cell. Practically, active traction force microscopy will be developed to exert and measure forces through the cell’s substrate. Combined with the visualization and quantification of the biochemical activity with a fluorescent sensor, this system will allow the testing of the mechanotransduction from the mechanical cues towards the biochemical response. By varying the input parameters and measuring the response, we will establish the stimulus/response dictionary in the first direction. To test the transduction in the other direction, we will develop optogenetics on this system to control spatially and temporally the activity of a signaling protein. Hence, the stimulus/response dictionary will also be established from biochemical to mechanical cues. With these results, we will be able to identify the key components defining the codes of the mechanotransduction and in particular to define the role of the mechanical characteristics of the intracellular milieu. The role of the cytoskeleton will be specifically addressed with an original nanoimaging technique allowing the visualization of nanometer deformations of the actin stress fibers which are tension cables between the adhesion sites. We will go further and with the help of adhesive micro-patterns imposing the cell morphology, we will test the impact of the cell geometry and history on the biochemical response to a mechanical stress.

After 18 months, we have achieved the first proof of principle of the active traction force microscopy: we are able to deform locally a continuous soft material and hence exert a force an adherent cell. We can arrange micromagnetic elements inside the substrate and actuate them with an electromagnet with reasonable currents. We have seen that an adherent cell is deformed through the deformation of its adherent substrate. This is a confirmation of the major hypothesis of the project: we can apply mechanical stresses to the cells by deforming their adherent substrate.

Now that our approach has been validated, the next step is to enhance the method and make it reproducible. We want to align the patterns of micromagnets with the adhering patterns for cells so as to have one actuator per cell, located at a defined distance and position with respect to the cell. We are still working on the fluorescence microscope developing ALEX-FRET on live cells and combining it with a confocal type excitation for optogenetics.

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La mécano-transduction est un processus vaste et très complexe qui permet aux cellules et aux tissus de sentir et de répondre à leur environnement physique. Grâce à un ensemble de mécanismes dynamiques, les propriétés physiques telles que la rigidité du substrat, les déformations ou les forces sont traduites en signaux biochimiques. Les différents signaux biochimiques sont ensuite intégrés par les cellules pour moduler des fonctions cruciales pour leur viabilité (motilité, adhésion, prolifération …). Des défauts de la mécano-transduction sont impliqués dans de nombreuses maladies comme la prolifération cancéreuse et les pathologies cardiaques et osseuses. Il a été montré que la transduction du signal a lieu dans les deux directions : des signaux mécaniques vers les signaux biochimiques et vice versa, le processus complet impliquant des boucles de rétroaction. Pourtant, la coordination spatio-temporelle des signaux mécaniques et biochimiques n’est pas encore clarifiée et est rarement abordée. Dans ce travail fondamental, nous aborderons la mécano-transduction d’un point de vue original : la cellule sera considérée comme un système actif et dynamique qui filtre et transforme les signaux dans les deux directions. Le but principal est de décoder la mécano-transduction, c’est-à-dire d’établir le dictionnaire dynamique entre signaux mécaniques et biochimiques.
Pour atteindre cet objectif, il est essentiel d’avoir un controle dynamique des deux signaux, mécanique et biochimique, sur la même cellule. A ma connaissance, la mesure et le contrôle spatio-temporel des contraintes mécaniques et de l’activité biochimique n’ont jamais été réalisés sur le même système expérimental. Il est donc nécessaire de développer et de combiner différentes approches expérimentales de pointes pour pouvoir tester la transduction du signal dans les deux directions sur la même cellule. En pratique, la microscopie de forces de traction active sera développée pour exercer et mesurer des forces via le substrat. Combinée à la mesure quantitative de l’activité biochimique par un rapporteur fluorescent, ce système permettra de tester la mécano-transduction depuis le signal mécanique vers la réponse biochimique. En variant les paramètres d’entrées (fréquence, amplitude …) et en mesurant la réponse, nous établirons le dictionnaire stimulus/réponse dans la première direction. Pour tester la transduction dans l’autre sens, nous développerons l’optogénétique sur ce système afin de contrôler spatialement et temporellement l’activité d’une protéine de signalisation. Ainsi, le dictionnaire stimulus/réponse sera aussi établi du signal biochimique vers la réponse mécanique. Grâce à ces résultats, nous pourrons identifier les ingrédients clés définissant les codes de la mécano-transduction et en particulier définir le rôle des caractéristiques mécaniques du milieu intracellulaire. Le rôle du cytosquelette sera abordé spécifiquement avec une technique originale de nanoimagerie permettant de visualiser des déformations de fibres de stress de l’ordre du nanomètre. Nous irons plus loin et avec l’aide de micro-patrons adhésifs imposant la morphologie cellulaire, nous testerons l’impact de la géométrie et de l’histoire de la cellule sur la réponse biochimique après une contrainte mécanique. Ainsi, nous nous attaquerons à la question de l’universalité de la mécano-transduction en regardant si la réponse est différente pour différentes géométries, et différent vécus des cellules.
En conclusion, ce travail permettra la compréhension des paramètres dynamiques qui régulent la mécano-transduction et permettra de clarifier les relations entre propriétés mécaniques et réponses cellulaires spécifiques. Nous espérons que le décodage de la mécano-transduction ouvrira la voie à de nouvelles méthodes pour interagir avec les cellules, qui pourront reposer sur des contraintes mécaniques et plus seulement sur des drogues biochimiques comme l’actuelle médication.

Coordinateur du projet

Madame Aurélie DUPONT (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique)

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

LIPhy UJF Laboratoire Interdisciplinaire de Physique

Aide de l'ANR 393 874 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2013 - 42 Mois

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