Cell migration under confinement : how can a cell squeeze through narrow gaps ?

par Hawa-Racine Thiam

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Matthieu Piel.

Soutenue le 29-09-2014

à Paris 5 , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris) , en partenariat avec Compartimentation et dynamique cellulaires (laboratoire) .

Le président du jury était Benoît Ladoux.

Le jury était composé de Matthieu Piel, Benoît Ladoux, Jan Lammerding, Edgar Gomes, Ana-Maria Lennon-Dumenil, Guillaume Charras.

Les rapporteurs étaient Jan Lammerding, Edgar Gomes.

  • Titre traduit

    Mécanismes de déformation du noyau lors de la migration cellulaire en milieux confinés


  • Résumé

    La migration cellulaire possède deux volets antagonistes ; nécessaire à plusieurs processus physiologiques tels que la réponse immunitaire, elle peut également induire la mort d’un organisme en permettant les cellules cancéreuses d’envahir des organes sains. In vivo, la migration s’effectue dans des milieux complexes et confinés qui imposent une forte déformabilité aux cellules migratoires. Récemment, divers études ont montré que le noyau impose la limite de la déformabilité cellulaire lors de la migration en 3D (Wolf et al. JCB, 2013; Harada et al. JCB, 2013). Il a, en effet, été montré que la migration cellulaire peut être augmentée en diminuant la rigidité nucléaire (Wolf et al. JCB, 2013). Cependant, il existe une limite de rigidité nucléaire en dessous de laquelle la migration cellulaire peut être inhibée via l’inhibition de la survie cellulaire (Harada et al. JCB, 2013). Les cellules cancéreuses qui migrent à des vitesses relativement faibles (µm/heure) et ont des noyaux rigides surmontent la limite imposée par la déformation nucléaire en dégradant et élargissant le milieu extracellulaire. Les cellules immunitaires telles que les neutrophiles qui migrent rapidement (10 µm/mn) et ont des noyaux mous sont connus pour mourir aux sites d’infections. Les cellules dendritiques, de la famille des cellules immunitaires, ont une fonction de présentation d’antigènes qui requiert à la fois une grande capacité migratoire et de survie. Elles représentent donc un modèle cellulaire intéressant pour l’étude de la déformation nucléaire chez les cellules qui migrent rapidement et survivent longtemps. Durant mon doctorat, j’ai étudié le mécanisme grâce auquel les cellules dendritiques déforment leurs noyaux afin de migrer de manière efficace en milieux confinés tout en préservant un haut taux de survie. J’ai utilisé un système expérimental nouveau et original consistant en des microcannaux avec des constrictions (Heuzé et al. MMB, 2011). Ces canaux, combinés à des manipulations génétiques et de la video microscopie nous ont permis de montré que les cellules dendritiques possèdent un mécanisme spécifique, indépendant de celui utilisé pour leur migration, leur permettant de déformer leurs noyaux tout en migrant dans des milieux hautement confinés. Ce mécanisme est basé sur la génération d’un réseau d’actin, autour du noyau, nucléé par Arp2/3 et indépendant du moteur Myosin II. Ce réseau d’actine co-localise avec des sites de rupture de la Lamin A/C. De plus, réduire la quantité de Lamin A/C dans les cellules dendritiques inhibe la formation de ce réseau d’actin perinucléaire. Basés sur ces résultats, nous avons proposé un nouveau mécanisme de déformation du noyau lors de la migration en milieux confinés basé sur Arp2/3 qui, en nucléant un réseau d’actine autour du noyau permet de casser la lamin A/C diminuant ainsi la tension de surface nucléaire et permettant le passage noyau.


  • Résumé

    Cell migration has two opposite faces; necessary for many physiological processes such as immune response, it can also lead to the organism death by allowing metastatic cells to invade new organs. In vivo migration often occurs in complex 3D environments which impose high cellular deformability. Recently, cellular deformability during 3D migration has been shown to be limited by the nucleus (Wolf et al. JCB, 2013). For instance, cell migration can be increased by decreasing nuclear stiffness. However, below a given nuclear stiffness 3D cell migration can be reduced as a result of impaired cell survival (Harada et al. JCB, 2014). Cancer cells which display slow migration and have rather stiff nuclei have been shown to overcome the physical limits of 3D migration through adhesion combined to matrix degradation or high actomyosin contraction (Wolf et al. JCB, 2013). Immune cells such as neutrophils which are fast moving cells with soft nuclei have been reported to die at sites of infection. Interestingly, dendritic cells function as antigen presenting cells requires high migratory ability as well as high survival. They thus constitute an interesting model for studying nuclear deformation in fast moving and long lived cells. During my PhD, I studied the mechanism by which dendritic cells deform their nuclei to achieve proper migration in highly confining space while preserving a high survival rate. I used an original micro fabricated experimental set up (Heuzé et al. MMB, 2011) consisting of microchannels with constrictions to mimic cellular transmigration. Those channels combined with genetic manipulation and live cell imaging followed by image processing were used to assess the mechanism dendritic cells use to deform their nucleus, which we found to be specific and not required for cell motility per se. I showed that dendritic cells overcome the physical limitation imposed by nuclear deformation through small gaps by nucleating an Arp2/3 based actin network around the nucleus. Surprisingly, the formation of this actin network is independent of myosin II based contraction. This actin accumulation around the nucleus co-localized with sites of nuclear Lamin A/C breakage. Moreover, Lamin A/C depletion in dendritic cells leads to the disappearance of this actin ring and the release of the need for Arp2/3 for nuclear deformation. We thus propose a new mechanism of nuclear squeezing through narrow gaps based on an Arp2/3 nucleated actin meshwork which, by transiently breaking the Lamin A/C network, releases the nuclear surface tension and allows nuclear thus cell passage through micrometric constrictions. Lamin A/C repolymerization around the nucleus at the exit of constrictions would then restore nuclear stiffness, allowing cell survival. Interestingly, this actin accumulation around the nucleus was also observed in vivo in migrating macrophages but not in HL-60 derived neutrophils. Taken together, our data suggest that the Arp2/3 based nuclear squeezing mechanism would be a general feature of highly migratory cells which need to survive long enough to accomplish their functions.

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