Interrogation ontogénétique de propagation intercellulaire de signaux de forces

Optogenetic interrogation of intercellular propagation of force signals

• Auteur / Autrice : Artur Ruppel
• Direction : Martial Balland, Thomas Boudou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 06/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : François Fagotto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Weidenhaupt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabetta Ada Cavalcanti-Adam, Mathieu Coppey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transduction du signal cellulaire

Cellules épithéliales

Mots clés libres

Optogenetique

Mechanobiologie

Micropatterning

Micropatterning

Optogenetics

Mechanobiology

Résumé

Les forces générées par les cellules jouent un rôle majeur dans la coordination de leur comportement à grande échelle, notamment au cours du développement, de la cicatrisation et du cancer. Les signaux mécaniques se propagent plus rapidement que les signaux biochimiques, mais leurs effets peuvent être similaires, notamment au sein des tissus épithéliaux avec une forte adhésion cellule-cellule. Cependant, une description quantitative de la chaîne de transmission (de la génération de forces dans une cellule émettrice se propageant via les jonctions entre cellules, à la réponse induites des cellules réceptrices) manque en raison de l'absence d'outils permettant un bon contrôle spatio-temporel de la force. Nous proposons ici un modèle minimal de deux cellules épithéliales sur un motif en H ("doublet cellulaire"). Après l'activation par optogénétique de RhoA, un régulateur majeur de la contractilité cellulaire, la cellule émettrice se contracte. Nous mesurons ensuite la réponse mécanique de la cellule réceptrice par microscopie des forces de traction et contrainte de monocouche. On observe que la propagation de la force ainsi que la réponse de la cellule réceptrice dépendent fortement de la polarisation mécano-structurelle de la cellule émettrice, que nous contrôlons par le rapport d'aspect du motif en H. Nous constatons que la réponse de la cellule réceptrice est plus forte lorsque l'axe de polarisation mécano-structurelle est orienté perpendiculairement à la direction de propagation de la force, ce qui rappelle l'effet de Poisson dans les matériaux passifs. Nous montrons finalement que les mêmes effets sont à l'œuvre dans les petits tissus. Ainsi, nos travaux démontrent que l'organisation cellulaire et la réponse mécanique active d'un tissu sont essentiels pour maintenir la force du signal et conduisent à l'émergence de l'élasticité, ce qui signifie que les signaux ne sont pas dissipés comme dans un système visqueux, mais peuvent se propager sur de grandes distances, comme dans un système élastique.

Cell generated forces play a major role in coordinating large-scale behavior of cells, in particular during development, wound healing and cancer. Mechanical signals based on cellular force generation propagate faster than biochemical signals, but can have similar effects, especially in epithelial tissue with tight cell-cell adhesion. However, a quantitative description of the transmission chain from force generation in a sender cell, force propagation across cell-cell boundaries, and the concomitant response of receiver cells is missing due to the lack of appropriate model systems. Here we show that such a setup can be realized by combining optogenetics and micropatterning. Our minimal system are two epithelial cells on an H-pattern ("cell doublet"). After optogenetically activating RhoA, a major regulator of cell contractility, in the sender cell, we measure the mechanical response of the receiver cell by traction force and monolayer stress microscopies. In contrast to single cells on the same pattern ("cell singlet"), whose force generation after half-activation suffers from internal flows, in the cell doublet the cell boundary suppresses global flows and leads to a stable contractile situation. Force propagation and response of the receiver cell strongly depends on the actin organization in the sender cell, which we control by the aspect ratio of the H-pattern. Thus both cell-cell boundary and organization of the sender cell are essential for stimulation of the receiver cell. We quantify the active response of the receiver cell by comparing it with the passive response calculated with a mathematical model. We find that the response essentially matches the signal strength of the sender cell, and that it is the stronger the more organized the actin cytoskeleton is perpendicular to the direction of the cell-cell boundary, reminiscent of the Poisson effect in passive material. We finally show that the same effects are at work in small t issues. Our work demonstrates that cellular organization and active mechanical response of tissue is key to avoid global actin flows and to generate an elastic response that can lead to long-range mechanical signaling across the tissue.