Stochastic models of intra-cellular organization : from non-equilibrium clustering of membrane proteins to the dynamics of cellular organelles

par Quentin Vagne

Thèse de doctorat en Physique. Physique théorique

Sous la direction de Pierre Sens.

Soutenue le 28-09-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Unité physico-chimie Curie (Paris) (équipe de recherche) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) .

Le président du jury était Bruno Goud.

Le jury était composé de Raphaël Voituriez, Jean-Baptiste Fournier.

Les rapporteurs étaient Carlos Manuel Marques, Matthias Weiss.

  • Titre traduit

    Modèles stochastiques de l’organisation intra-cellulaire : de l’agrégation des protéines membranaires à la dynamique des organelles cellulaires


  • Résumé

    Cette thèse a pour sujet la biologie cellulaire, et plus particulièrement l'organisation interne des cellules eucaryotes. Bien que les différents acteurs régissant cette organisation aient été en grande partie identifiées, on ignore encore comment une architecture si complexe et dynamique peut émerger de simples interactions entres molécules. Un des objectifs des différentes études présentées dans cette thèse est de construire un cadre théorique permettant d'appréhender cette auto-organisation. Pour cela, nous étudions des problèmes spécifiques à différentes échelles allant du nanomètre (dynamique des hétérogénéités dans les membranes biologiques) au micromètre (organisation des organelles cellulaires), en utilisant des simulations numériques stochastiques et des méthodes analytiques. Le texte est organisé pour présenter les résultats des plus petites au plus grandes échelles. Dans le premier chapitre, nous étudions l'organisation de la membrane d'un seul compartiment en modélisant la dynamique d'hétérogénéités membranaires. Dans le second chapitre, nous étudions la dynamique d'un compartiment unique échangeant des vésicules avec le milieu extérieur. Nous étudions également comment deux compartiments différents peuvent être générés par les mêmes mécanismes d'échanges de vésicules. Enfin, dans le troisième chapitre, nous développons un modèle global de la dynamique des organelles cellulaires, dans le contexte particulier de la biogenèse de l'appareil de Golgi.


  • Résumé

    This thesis deals with cell biology, and particularly with the internal organization of eukaryotic cells. Although many of the molecular players contributing to the intra-cellular organization have been identified, we are still far from understanding how the complex and dynamical intra-cellular architecture emerges from the self-organization of individual molecules. One of the goals of the different studies presented in this thesis is to provide a theoretical framework to understand such self-organization. We cover specific problems at different scales, ranging from membrane organization at the nanometer scale to whole organelle structure at the micron scale, using analytical work and stochastic simulation algorithms. The text is organized to present the results from the smallest to the largest scales. In the first chapter, we study the membrane organization of a single compartment by modeling the dynamics of membrane heterogeneities. In the second chapter we study the dynamics of one membrane-bound compartment exchanging vesicles with the external medium. Still in the same chapter, we investigate the mechanisms by which two different compartments can be generated by vesicular sorting. Finally in the third chapter, we develop a global model of organelle biogenesis and dynamics in the specific context of the Golgi apparatus


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