Robustesse de déformation tissulaire anisotropique pendant la morphogenèse animale – RobustTissue

Dans le cadre de ce projet, nous avons abordé cette question d'un point de vue théorique.

Bien qu'il existe plusieurs possibilités, nous avons testé une méthode permettant aux tissus biologiques de stabiliser la déformation orientée des tissus, qui est liée à des molécules dites « molécules de signalisation », parfois appelées morphogènes.

Les morphogènes fournissent aux cellules des informations sur leur position. Prenons l'exemple de l'embryon de la mouche du vinaigre, qui se compose de 6 000 cellules. Imaginez que vous êtes l'une d'entre elles et que la seule chose que vous « voyez » à côté de vous, ce sont d'autres cellules qui font leur travail. Comment pouvez-vous savoir si vous êtes censé former une partie de la tête, du milieu ou de la queue de l'animal ? La nature résout ce problème grâce à certaines molécules, appelées morphogènes, qui sont produites dans une région localisée. Par exemple, la protéine Bicoid est produite à l'extrémité de la tête de la mouche du vinaigre. Elle se diffuse ensuite dans les tissus et se dégrade parfois partout. L'interaction de ces trois effets crée un profil de concentration de Bicoid gradué à travers la mouche, décroissant de la tête à la queue (Fig. G). Comment cela vous aide-t-il, en tant que cellule, à savoir où vous vous trouvez dans l'animal ? Il vous suffit de mesurer la concentration de Bicoid : si elle est élevée, vous êtes dans la partie avant, si elle est faible, vous êtes dans la partie arrière. La concentration de Bicoid vous fournit ce que les biologistes appellent des informations positionnelles.

Cependant, les gradients fournissent également des informations d'orientation. Par exemple, si des cellules voisines comparent leur niveau de morphogène, elles ont une idée de la direction du gradient. En effet, dans un certain nombre de systèmes, on sait que la polarité cellulaire s'aligne sur la direction locale du gradient de morphogène.

Nous nous sommes donc demandé si la présence d'un tel gradient morphogène pouvait stabiliser la déformation orientée des tissus au cours du développement animal.

Pour répondre à cette question, nous avons étudié ce que l'on appelle des modèles continus, qui décrivent le comportement moyen de groupes de cellules voisines. Dans nos modèles, nous avons considéré le taux de production des protéines, la concentration des protéines, la polarité cellulaire et la vitesse des cellules, chacun comme un champ lisse et variant dans l'espace. Nous avons étudié dans quelles conditions l'interaction entre ces champs conduisait à une déformation tissulaire orientée stable.

Pour tester la stabilité, nous avons utilisé une technique appelée analyse de stabilité linéaire : nous avons appliqué toutes les perturbations possibles au système et calculé si ces perturbations augmentaient ou diminuaient avec le temps. Si toutes les perturbations possibles diminuent, le système est stable, sinon il est instable.

Bien que nous ayons constaté que la stabilité de la déformation des tissus orientés dépendait de plusieurs facteurs, l'un d'entre eux s'est particulièrement démarqué : le fait que les forces agissent pour étirer le tissu dans le sens du gradient morphogénique, ce que nous appelons « gradient-extensile », ou qu'elles entrent en contact avec le tissu en suivant la direction du gradient, ce que nous appelons « gradient-contractile ». Nous avons constaté que les tissus contractiles par gradient sont toujours instables (Fig. I), tandis que les tissus extensibles par gradient peuvent être stables en fonction d'autres facteurs (Fig. H). Ces autres facteurs comprennent notamment le stockage du tissu en déformation, la taille de la région qui produit le morphogène et la vitesse de diffusion du morphogène.

Nous avons ensuite comparé nos résultats à la littérature biologique et avons trouvé de nombreux exemples et exemples potentiels de systèmes extensibles par gradient. Cependant, nous n'avons trouvé pratiquement aucun exemple de système contractile par gradient. Cela semble logique : la nature n'a peut-être pas développé de tissus contractiles par gradient, car dès qu'ils auraient été « testés » dans un organisme, celui-ci n'aurait peut-être pas survécu, la déformation étant instable.

En d'autres termes, nos travaux suggèrent que l'instabilité connue depuis 20 ans dans le domaine de la physique de la matière active agit comme un critère de sélection évolutive.

Nous avons également étudié d'autres aspects de la déformation orientée des tissus.

1. Par exemple, nous avons montré que la nature des forces actives à l'origine de la déformation des tissus peut en partie être déduite de la forme des cellules.

2. Nous nous intéressons actuellement à un autre aspect important de la déformation orientée des tissus : la courbure. Comme vous le savez peut-être, il est impossible d'obtenir une carte plate de la surface de la Terre qui représente correctement toutes les distances. De même, si vous voulez aplatir une peau d'orange, cela n'est pas possible, car vous devez presser et/ou étirer la peau à différents endroits pour l'aplatir.

Dans les deux cas, cela est dû au fait que la courbure gaussienne de l'objet change : une surface sphérique a une courbure gaussienne positive, tandis qu'une feuille plate a une courbure gaussienne nulle. Et on sait que si la courbure gaussienne d'une surface change, cette surface doit subir des déformations tangentielles.

Comme les tissus biologiques subissent souvent des changements de courbure gaussienne, nous étudions actuellement comment ces changements de courbure et la déformation des tissus s'influencent mutuellement de manière bidirectionnelle.

Dans les matériaux actifs anisotropiques, l'état ordonné peut être brisé par des instabilités hydrodynamiques. En particulier, de telles instabilités sont susceptibles d’empêcher l'apparition d'une élongation stable progressive selon une direction privilégiée. Or la morphogenèse animale dépend de plusieurs processus de déformation anisotrope de tissus biologiques.

Je propose d'étudier deux hypothèses pouvant expliquer la stabilisation des déformations anisotropes au cours de la morphogenèse animale:
(H1) l’apparition de gradients sur grande échelle dans la concentration de certaines protéines,
(H2) l’apparition de forces externes agissant sur le tissu.

Avec mon équipe, nous testerons ces hypothèses en suivant deux objectifs:
Objectif 1 - Nous étudierons des modèles de tissus (continus et cellulaires) qui intègrent des écoulements tissulaires, des champs scalaires représentants la concentration d'une protéine, un champ de polarité cellulaire et un champ nématique décrivant les formes des cellules. Nous établirons des critères généraux pour la stabilité de l'état de déformation homogène.
Objectif 2 - En collaboration avec Thomas Lecuit, nous comparerons nos résultats théoriques aux observations expérimentales de la déformation du tissu épithélial de la bande germinale pendant l'embryogenèse de la drosophile. Nous mesurerons les profils de concentration du protéine Toll-8, de la polarité cellulaire de myosin, de la forme cellulaire et de l'écoulement tissulaire. Enfin, nous testerons nos hypothèses en considérant différentes perturbations qui sont susceptibles de perturber soit le champ de concentration du protéine (H1), soit les forces externes (H2).

Ce projet ambitionne de défricher une question fondamentale à l'interface entre la physique de la matière active et la biologie du développement. Dans ce but, on développera de nouveaux concepts théoriques pour examiner comment les champs scalaires et polaires interagissent avec la structure cellulaire du matériau.