Analyse temps-fréquence en mécanique cellulaire et adaptabilité du fuseau mitotique

par Benjamin Mercat

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jacques Pécréaux et de Hélène Bouvrais.

Soutenue le 04-10-2016

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) et de Institut de Génétique et Développement de Rennes (UMR 6290) (laboratoire) .


  • Résumé

    Le fuseau mitotique assure la ségrégation des chromatides sœurs et le maintien de la poïdie des cellules filles. Le fuseau est composé de microtubules dynamiques (qui polymérisent et dépolymérisent continuellement), de nombreux moteurs moléculaires, d'agents de réticulations et de régulateurs. Bien que la structure du fuseau au niveau moléculaire soit connue, son fonctionnement reste délicat à comprendre, et nécessite la prise en compte de la dynamique de ses composants et leurs interactions. Les approches utilisées pour répondre à ces problématiques sont jusqu'à maintenant plutôt des approches in silico et in vitro. Il manque aujourd'hui une caractérisation de la mécanique du fuseau dans son contexte physiologique. Nous proposons une méthode non invasive basée sur de l'analyse d'image, combiné à une modélisation heuristique pour mesurer les paramètres mécaniques durant toute la division. Nous suivons les pôles du fuseau marqués par protéine fluorescente avec un taux acquisition rapide et une bonne résolution spatiale ce qui nous permet d'accéder aux fluctuations de longueur du fuseau in vivo. Avec la transformée de Fourier aux temps courts, nous calculons leurs densités spectrales de puissances — leurs signatures mécaniques. Ces spectres sont alors ajustés avec un modèle Kelvin — Voigt avec inertie (un ressort, un amortisseur et un terme inertiel en parallèle). Nous avons validé la méthode par des expériences numériques où nous retrouvons les évolutions des paramètres sur des données simulées et la calibration a été réalisée par l'utilisation de la rupture du fuseau induite par micro chirurgie laser ou par la génétique. Nous avons caractérisé le fuseau de l'embryon unicellulaire du nématode C. elegans. La méthaphase apparaît dominée par l'amortisseur, ce qui est cohérent avec la lente élongation du fuseau que nous observons. Mais contraste l'idée répandue de l'existence d'un mécanisme de maintien de la longueur du fuseau durant la métaphase. Au passage en anaphase, les trois paramètres mécaniques chutent, avant de réaugmenter environ 50 secondes après la transition pour réatindre un régime dominé de nouveau par l'amortisseur, ce qui suggère que les microtubules interpolaires jouent un rôle mineur durant l'élongation du fuseau en début d'anaphase. Dans la perspective de comprendre le lien entre la mécanique du fuseau et les interactions des acteurs moléculaires, nous avons partiellement supprimé un gène par sous-structure du fuseau. Nous avons alors retrouvé des comportements connus avec une perspective augmentée offerte par notre méthode. Cette méthode, ne va pas seulement permettre la compréhension fondamentale de la mécanique du fuseau, en remplaçant la modélisation du fuseau basé uniquement sur la longueur, mais aussi d'aller vers la prise en compte de la robustesse de fonctionnement du fuseau mitotique face aux défauts tel que la polyou l'aneuploïdie.

  • Titre traduit

    Time-frequency analysis in cell mechanics and adaptability of mitotic spindle


  • Résumé

    The mitotic spindle ensures the correct segregation of the sister chromatids to maintain ploidy in daughter cells. The spindle comprises dynamical microtubules (alternating polymerizing and depolymerizing), a variety of molecular motors, crosslinker and the regulators. Although the molecular grounds of spindle structure is well known, the link to its functions remain elusive, calling for including the dynamics of its components and their interactions. These questions were mostly investigated by in silico or in vitro approaches. But a detailed characterizing of spindle mechanics, in physiological conditions, is missing. We propose an image processing based, non invasive, method combined to an heuristic model to measure mechanical parameters of the mitotic spindle along time. We tracked fluorescently labeled spindle pole at high temporal and spatial resolution and measured the variations of spindle length, in vivo. We computed their power density spectrum using short time Fourier transform (sliding window) — a blueprint of spindle mechanics. Such a spectrum is then fitted with a Kelvin —Voigt model with inertia (a spring, a damper, an inertial element in parallel). We validated this method by recovering the mechanical parameters over time from simulated data and calibrated it uses laser and genetically induced spinlde cut. We characterized the mitotic spindle of the one-cell embryo of nematode C. elegans. Metaphase appeared dominated by damping element, consistent with the slow spindle elongation observed. But in contrast with the common thought that a mechanism maintains the spindle length during metaphase. At anaphase onset, all three parameters collapsed, before increasing about 50s later to reach a regime where damping dominated again, suggesting the overlapping spinlde microtubules may play a minor role in early anaphase spinlde elongation. In perspective of understanding how spindle mechanics emerge of molecular players interactions, we depleted one gene per splindle sub-structure — overlapped microtubules, kinetochore microtubules, central spindle and astral microtubules. We succefully recovered some known behavior but with the augmented insight offered by our method. This method paves the way not only towards understanding the fundamentals of spindle mechanics, superseding the degenerated modeling based on the sole spindle length but also towards acounting for spindle functional robustness towards defect as polyor aneuploidy.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 04-10-2018

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