adhesive control of cell polarity
contrôle de la polarité des cellules adhérentes
Résumé
we used fibronectin micro-patterns imposing cells to spread upon adhesive and non-adhesive areas. The relative positioning of these areas was used to impose asymmetric adhesive environment to cells.
Therefore we showed that cells develop large stress fibres upon non-adhesive areas and protrusions upon adhesive ones. This polarity of the actin cytoskeleton induced a specific recruitment of APC, a molecules interacting with both actin and microtubules. Thereby the polarity of the actin network was transmitted to the microtubules which keep growing along stress fibres whereas they stop when contacting adhesive edges. The internal polarity of cells as revealed by the relative positioning of nucleus and centrosome was thus harmonised with the geometry of the extracellular matrix. Furthermore, we showed that this geometry impinge on spindle orientation and cell division axis independently of cell shape.
Therefore we showed that cells develop large stress fibres upon non-adhesive areas and protrusions upon adhesive ones. This polarity of the actin cytoskeleton induced a specific recruitment of APC, a molecules interacting with both actin and microtubules. Thereby the polarity of the actin network was transmitted to the microtubules which keep growing along stress fibres whereas they stop when contacting adhesive edges. The internal polarity of cells as revealed by the relative positioning of nucleus and centrosome was thus harmonised with the geometry of the extracellular matrix. Furthermore, we showed that this geometry impinge on spindle orientation and cell division axis independently of cell shape.
Les travaux effectués au cours de cette thèse et présentés dans ce manuscrit consistent en l'utilisation de micro-patrons adhésifs pour l'étude de l'organisation spatiale des organites intracellulaires. Nous avions comme modèle de travail la compartimentation et la polarisation des cellules au sein des tissus. Dans cette situation, les cellules n'adhèrent pas de façon homogène et isotrope à leur environnement. Au contraire, elles s'attachent à leur voisines et à la matrice extracellulaire, en des endroits particuliers, grâce à des complexes transmembranaires, les adhésions. Ces adhésions sont une des bases structurales de la construction du cytosquelette. Leur distribution spatiale peut être anisotrope, et parfois asymétrique, ce qui guide la polarité intrinsèque des cellules.
Nous avons utilisé la technique d'impression par micro-contact pour manipuler la forme des cellules et la distribution de leurs adhésions. Les cellules adoptent l'enveloppe convexe du patron adhésif quelle que soit sa géométrie. Si, par exemple, les cellules sont contraintes de s'attacher à un T ou un V, sans pouvoir établir de contact en dehors de ce patron, elles adopteront dans les deux cas la même forme triangulaire. Nous avons utilisé cette propriété pour imposer aux cellules des formes identiques sur des patrons adhésifs différents afin d'analyser le rôle spécifique de la distribution des adhésions sur l'organisation du cytosquelette et des compartiments intracellulaires.
Nos mesures montrent que les cellules développent des tensions élevées dans les filaments d'actine, assemblés en fibres de stress, au-dessus des zones non adhésives. Sur les zones adhésives, la tension est plus faible, et la polymérisation de l'actine en un réseau branché induit la formation de protrusions membranaires. La localisation des protrusions est donc complémentaire de celle des zones contractiles.
Cette polarisation du système actine dirige le recrutement de certaines protéines dont l'activité influence la dynamique des microtubules. La croissance des microtubules en contact avec le cortex cellulaire est modulée différemment selon que l'actine forme des fibres de stress ou un réseau branché. Cependant, quel que soit le comportement des extrémités du réseau de microtubules à la périphérie, le centre du réseau, le centrosome, se maintient toujours au centre de la cellule. Le noyau est exclu de ce centre et se positionne vers les zones de contraction. Ainsi, à l'intérieur de la cellule, l'orientation de l'axe noyau-centrosome répond à l'asymétrie établie en périphérie.
La polarité du cortex est conservée pendant la division cellulaire ou mitose. Le corps cellulaire, qui s'est arrondi à l'entrée en mitose, est maintenu en contact avec le substrat adhésif par des fibres de rétraction riches en actine. Les mesures expérimentales de l'orientation des divisions, sur différents patrons adhésifs, révèlent que la distribution spatiale des ancrages de ces fibres sur la cellule guide l'orientation du fuseau mitotique, et par conséquent, le plan de division des cellules. En effet, les pôles du fuseau se positionnent en face des zones corticales où sont arrimées les fibres de rétraction, indépendamment de la forme qu'avait la cellule avant l'entrée en mitose.
Il existe des moteurs moléculaires ancrés dans le cortex des cellules et capables de tirer sur les microtubules astraux émanant des pôles du fuseau. En faisant l'hypothèse que ces moteurs ne sont activés que dans les zones où se situent les fibres de rétraction, on peut établir un modèle physique permettant de rendre compte de toutes les observations expérimentales effectuées.
Nous avons utilisé la technique d'impression par micro-contact pour manipuler la forme des cellules et la distribution de leurs adhésions. Les cellules adoptent l'enveloppe convexe du patron adhésif quelle que soit sa géométrie. Si, par exemple, les cellules sont contraintes de s'attacher à un T ou un V, sans pouvoir établir de contact en dehors de ce patron, elles adopteront dans les deux cas la même forme triangulaire. Nous avons utilisé cette propriété pour imposer aux cellules des formes identiques sur des patrons adhésifs différents afin d'analyser le rôle spécifique de la distribution des adhésions sur l'organisation du cytosquelette et des compartiments intracellulaires.
Nos mesures montrent que les cellules développent des tensions élevées dans les filaments d'actine, assemblés en fibres de stress, au-dessus des zones non adhésives. Sur les zones adhésives, la tension est plus faible, et la polymérisation de l'actine en un réseau branché induit la formation de protrusions membranaires. La localisation des protrusions est donc complémentaire de celle des zones contractiles.
Cette polarisation du système actine dirige le recrutement de certaines protéines dont l'activité influence la dynamique des microtubules. La croissance des microtubules en contact avec le cortex cellulaire est modulée différemment selon que l'actine forme des fibres de stress ou un réseau branché. Cependant, quel que soit le comportement des extrémités du réseau de microtubules à la périphérie, le centre du réseau, le centrosome, se maintient toujours au centre de la cellule. Le noyau est exclu de ce centre et se positionne vers les zones de contraction. Ainsi, à l'intérieur de la cellule, l'orientation de l'axe noyau-centrosome répond à l'asymétrie établie en périphérie.
La polarité du cortex est conservée pendant la division cellulaire ou mitose. Le corps cellulaire, qui s'est arrondi à l'entrée en mitose, est maintenu en contact avec le substrat adhésif par des fibres de rétraction riches en actine. Les mesures expérimentales de l'orientation des divisions, sur différents patrons adhésifs, révèlent que la distribution spatiale des ancrages de ces fibres sur la cellule guide l'orientation du fuseau mitotique, et par conséquent, le plan de division des cellules. En effet, les pôles du fuseau se positionnent en face des zones corticales où sont arrimées les fibres de rétraction, indépendamment de la forme qu'avait la cellule avant l'entrée en mitose.
Il existe des moteurs moléculaires ancrés dans le cortex des cellules et capables de tirer sur les microtubules astraux émanant des pôles du fuseau. En faisant l'hypothèse que ces moteurs ne sont activés que dans les zones où se situent les fibres de rétraction, on peut établir un modèle physique permettant de rendre compte de toutes les observations expérimentales effectuées.