Enveloppe nucléaire et réponse du noyau aux déformations mécaniques

Nuclear envelope and nuclear response to mechanical deformation

• Auteur / Autrice : Alice Williart
• Direction : Matthieu Piel, Nicolas Manel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 09/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie cellulaire et cancer (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Martin Lenz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Rivière, Nicolas Borghi, Maria Almonacid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Rivière, Nicolas Borghi

Mots clés

Mots clés contrôlés

VIH (virus)

Enveloppe nucléaire

Noyau cellulaire

Biophysique

Mots clés libres

Noyau

Enveloppe nucléaire

Biophysique

Vih

Nucleus

Nuclear envelope

Biomechanics

Hiv

Résumé

Le noyau, qui abrite le génome des cellules eucaryotes, est l'organite le plus volumineux et le plus rigide de la cellule. Il est délimité par une double membrane percée de pores, l'enveloppe nucléaire, elle-même soutenue par la lamina, un réseau de filaments intermédiaires, les lamines. L'enveloppe, la lamina et la chromatine sont connectées par un réseau d'interaction protéines-protéines et protéines-ADN, qui, grâce au complexe du Linker entre Nucléosquelette et Cytosquelette, sont en continuité mécanique avec le cytoplasme et la membrane plasmique. La capacité de la cellule à percevoir les signaux mécaniques de son environnement au niveau de la membrane plasmique est bien connue. Le noyau lui-même a émergé comme un composant mécano-sensible, par son interaction avec la membrane plasmique et par sa propre capacité à percevoir les déformations. Cependant, la compréhension physique du noyau et de ses propriétés mécaniques en réponse aux déformations reste incomplète. Dans ce travail, nous avons utilisé différentes approches pour déformer le noyau (microscopie à force atomique, confineur micro-fabriqué) et comprendre comment l'enveloppe nucléaire et la lamina déterminent la réponse du noyau aux contraintes mécaniques, en nous concnetrant sur une échelle de temps de l'ordre de plusieurs minutes. Nous avons montré que les noyaux peuvent adopter différentes formes in vivo et in vitro. En particulier, en l'absence de contrainte, l'enveloppe nucléaire développe des plis et invaginations, qui peuvent s'ouvrir réversiblement lorsque les noyaux sont déformés. Nous proposons un modèle d'instabilité mécanique reposant sur les différences de rigidité et de surface de l'ensemble enveloppe-lamina et de la chromatine pour expliquer la formation, la réversibilité et la forme de ces repliements. Ce modèle prédit que tant que l'enveloppe possède des plis, sa tension reste proche de zéro, ce qui propose un régime de déformation sans tension. Nous montrons cette prédiction par une méthode d'imagerie dynamique mesurant les fluctuations de l'enveloppe, ainsi que par une mesure quantitative des forces exercées par le noyau par micorscopie à force atomique. Nous avons ainsi mis en évidence l'existence de deux régimes de déformation : un régime sans tension, jusqu'à une hauteur seuil de 6 µm, en-dessous de laquelle la lamina se tend. Associés à ces deux régimes de tension, nous avons montré que le noyau répond en deux régimes de volume lorsque la déformation s'effectue sans tension, le volume nucléaire reste quasi-constant, tandis que lorsque le noyau est tendu, le volume du noyau diminue. Nous proposons que le premier régime permettent aux noyaux d'avoir une gamme de déformation sans risque pour leur intégrité, tandis que le second puisse être à la fois un signal perçu par la cellule et participer aux phénomènes de rupture d'enveloppe et de dommages à l'ADN observés dans les noyaux sous contrainte.

The nucleus is home to the genome in eukaryotic cells. It is the largest and stiffest organelle in the cell and is delimited by a double membrane pierce by nuclear pores, the nuclear envelope, supported the lamina, a meshwork of intermediate filaments called the lamins. The envelope, the lamina and the chromatin are connected by multiple protein-protein and protein-DNA interactions. They ensure a mechanical continuity with the cytoplasm and the plasma membrane through the Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton complex. The cells' ability to sense the mechanical cues from the environment has long been known. The nucleus itself has emerged as a mechano-sensitive organelle, both in interaction with the plasma membrane and on its own. However, the physical understanding of the nucleus and its mechanical propertis in response to deformations remains incomplete. In this work, we used several approaches to impose deformations to the nucleus (atomic force microscopy, microfabricated confiner) and understand how the nuclear envelope and the lamina determine the nuclear response to mechanical constraints. We focused on time scales of several minutes. We showed that nuclei can hrbor several shapes in vivo and in vitro. In particular, nuclei in absence of constraints display folds and invaginations, which can be reversibly opened up by deformation. We propose the model of a mechanical instability to explain the formatin, shape and reversibilty of the folds. It is based on the differences in rigidity and surface between the lamina-envelope layers and the chromatin. The model predicts that as long as the nuclear envelope is folded, its tension should remain close to zero, which proposes a deformation regime without tension. We have demonstrated this prediction by an imaging technique measuring nuclear envelope fluctuations, as well as by quantitative force measurements with atomic force microscopy. We have thus shown that there are two regimes of deformation: the first one, without tension, until a threshold height of 6 µm, and a second one, below the threshold, where the lamina becomes tensed. We have additionally shown that a two-regime response in volume is associated to the regimes in tension. As long as the tension remains low, the nuclear volume remains nearly constant. Once it is tensed, the nuclear volume starts to decrease. We propose that the first regime represent a safe range of deformation where the nucleus can adapt to constraints without altering its properties. We make the hypothesis that the second regime can constitute a signal perceived by the cell, and participate to the phenomena of nuclear envelope ruptures and DNA damage observed in deformed nuclei.