Caractérisation rhéologique et couplage mécanogénétique dans la régénération de Hydra vulgaris

Rheological characterization and mechano-genetic coupling in Hydra vulgaris regeneration

• Auteur / Autrice : Thomas Perros
• Direction : Jean-Paul Rieu, Olivier Cochet-Escartin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/10/2025
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Charlotte Rivière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Rieu, Olivier Cochet-Escartin, Clément Campillo, Isabelle Bonnet, Sham Tlili
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Campillo, Isabelle Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement des formes (biologie)

Mécanobiologie

Théorie du couplage

Hydres

Mots clés libres

Couplage

Patterning

Mécanique

Biochimie

Coupling

Patterning

Mechanic

Biochemistry

Résumé

La question de la manière dont les organismes se forment, acquièrent leur forme et développent des structures internes complexes est au cœur de la biologie du développement et intrigue les scientifiques depuis l’Antiquité. Alors que la signalisation moléculaire est centrale dans ce processus, il est devenu récemment de plus en plus clair que la mécanique y joue aussi un rôle crucial. En effet, les signaux mécaniques sont connus pour influencer des aspects clés du développement, comme la différenciation des cellules mais aussi leur division, leur migration ainsi que la forme des tissus. Cependant, la manière dont les processus mécaniques et la signalisation biochimique sont intégrés demeure largement incomprise. Dans ce contexte, Hydra vulgaris, un polype d’eau douce, est un organisme modèle fascinant, parfaitement adapté pour étudier ces questions. Ce cnidaire possède en effet une capacité de régénération extraordinaire : chaque morceau excisé de son corps principal peut régénérer en quelques jours pour former une Hydre complète et fonctionnelle. Chaque fragment de tissu se referme d’abord en une sphère remplie d’eau, qui subit d’importants stress mécaniques et des déformations, ce qui conduit à la rupture de sa symétrie, avec une transition d’une forme sphérique à une forme ellipsoïdale. L’organisme poursuit alors sa régénération jusqu’à former un nouvel animal adulte. Ce processus est connu pour être, au moins en partie, gouverné par une interaction complexe entre signaux mécaniques et activation de voies de développement. Bien que de nombreux modèles aient récemment été proposés pour décrire ce couplage mécanobiochimique, le rôle de la mécanique dans le patterning de l’Hydre reste encore débattu, et un cadre unifié fait toujours défaut. Dans ce travail, nous avons cherché à tester les principales hypothèses de ces modèles et à mieux comprendre les mécanismes impliqués. Cependant, pour cela, il était d’abord essentiel de caractériser expérimentalement les propriétés mécaniques des sphères de tissus d’Hydre en régénération, qui restaient encore inconnues. Pour combler cette lacune, nous avons développé un dispositif innovant de microaspiration multiplexée, permettant d’appliquer simultanément une extension localisée par pression hydrostatique sur plusieurs échantillons et de réaliser des mesures rhéologiques. Grâce à ces expériences, nous avons constaté que les sphères de tissus d’Hydre se comportent principalement comme des solides hyperélastiques pendant leur régénération. Nous avons pleinement caractérisé leur comportement mécanique en mesurant des paramètres rhéologiques clés. Armés de ces données, nous avons ensuite étudié comment la modulation biochimique affecte à la fois la régénération et les propriétés mécaniques de l’Hydre, et inversement, comment les contraintes mécaniques externes perturbent la régénération, tant à l’échelle de l’organisme que de celle de l’expression génique sous-jacente. Dans l’ensemble, nos résultats fournissent des données essentielles pour la communauté, proposent des méthodes innovantes et originales, et offrent un modèle quantitatif de la mécanique des tissus d’Hydre, approfondissant ainsi notre compréhension du patterning chez ces animaux et ouvrant la voie à des investigations quantitatives futures sur le couplage mécanobiochimique qui sous-tend leur régénération.

The question of how organisms form, acquire their shape and develop intricate internal structures lies at the heart of developmental biology and has intrigued scientists since antiquity. While molecular signaling is central to these processes, in recent years it has become increasingly clear that mechanics also plays a crucial role. Indeed, mechanical cues are now known to impact key aspects of development such as cell differentiation, division, migration and tissue shape. However, how mechanical processes and biochemical signaling are integrated remains largely unclear. In this context, Hydra vulgaris, a freshwater polyp, is a fascinating model organism perfectly suited to address this issue. This cnidarian possesses an extraordinary ability to regenerate: any piece cut from its body column can regenerate into a complete, functional Hydra within a few days. Each tissue fragment first rounds up into a water-filled sphere that undergoes significant mechanical stress and deformation, leading it to break symmetry, transitioning from a sphere to an ellipsoid. The organism then continues regenerating until a new adult animal is formed. This process is known to be, at least partially, governed by a complex interplay between mechanical cues and the activation of developmental pathways. Although several models have recently been proposed to describe this mechanobiochemical coupling, the role of mechanics in Hydra patterning remains debated, and a unified framework is still lacking. In this work, we sought to test the main hypotheses of these models and gain deeper insight into the mechanisms involved. However, to do so, it was first essential to experimentally characterize the mechanical properties of regenerating Hydra tissue spheres, which remained largely unknown. To address this gap, we developed an innovative multiplexed microaspiration setup, allowing us to simultaneously apply localized elongation via hydrostatic pressure on multiple samples and perform rheological measurements. Through these experiments, we found that Hydra tissue spheres behave primarily as hyperelastic solids during regeneration. We fully characterized their mechanical behavior by measuring key rheological parameters. Armed with these data, we then explored how biochemical modulation affects both regeneration and the mechanical properties of Hydra, and conversely, how externally applied mechanical constraints perturb regeneration, both at the level of the organism and of the underlying gene expression. Overall, our results provide essential data for the community, introduce innovative and original methods, and offer a quantitative model of Hydra tissue mechanics, thereby deepening our understanding of Hydra patterning and paving the way for future quantitative investigations of the mechanobiochemical interplay driving its regeneration.