Notre équipe cherche à comprendre comment les tissus épithéliaux maintiennent une organisation robuste mais extrêmement modulable à mesure qu’ils grandissent et changent de forme au cours du développement.

GRAND PUBLIC

Les épithéliums forment des barrières mécaniques et chimiques qui sont à la fois robustes structurellement et constamment remodelés, durant l’embryogenèse et l’organogenèse, des nématodes aux humains. La perturbation de cet équilibre entraine une forte progression du cancer. Le contrôle de cet équilibre est une question fondamentale en biologie qui reste actuellement sans réponse. Notre ambition première est de comprendre ce problème en utilisant des approches interdisciplinaires qui associent les analyses les plus quantitatives à des études physiologiques d’organismes entiers. Nous décryptons les fondements biochimiques de la mécanique des cellules et des tissus, à savoir la façon dont les forces sont générées et comment elles produisent des déformations, et caractérisons leur régulation par les voies de signalisation conservées. L’expertise complémentaire des biologistes cellulaires, développementalistes, physiciens, ingénieurs, etc, est nécessaire à notre groupe pour répondre à cette problématique.

Une des propriétés les plus remarquables des tissus vivants est qu’ils peuvent s’organiser avec robustesse tout en conservant une plasticité dynamique importante. Cette propriété est particulièrement remarquée dans les feuillets épithéliaux où les cellules sont généralement (mais pas toujours) disposées en monocouche. Grâce aux connexions cellulaires par des molécules d’adhésion, en particulier la E-cadhérine, les cellules sont cohérentes et permettent la formation de barrières épithéliales qui séparent les différents milieux physiologiques et protègent ainsi l’organisme contre les agents pathogènes. L’épithélium est largement remodelé au cours du développement ainsi que chez l’adulte. Par exemple, l’épithélium se développe et produit de nouvelles cellules par division cellulaire. Les cellules réadaptent leurs contacts, se déplacent les unes par rapport aux autres et contribuent ainsi au remodelage du tissu.

Grâce à ces événements, les tissus acquièrent des formes complexes et maintiennent une organisation définitive permettant aux nouvelles cellules de remplacer celles qui meurent. La robustesse des tissus exige une adhésion via les complexes E-cadhérine. La plasticité est un processus actif entraîné par la contractilité de l’actomyosine au moyen duquel les cellules remodèlent leurs contacts. Ces forces sont transmises au niveau des jonctions cellulaires par les complexes E-cadhérine.

Nous abordons les questions majeures suivantes:

• Comment émergent les forces à partir des interactions entre filaments d’actine, moteurs et agents de réticulation.
• Comment les complexes E-cadhérine contrôlent l’adhésion et la transmission de force.
• Comment les signaux de développement intercellulaires contrôlent la mécanique des cellules conduisant à l’extension et l’invagination des tissus.
• Comment la division cellulaire et la croissance des tissus affectent la mécanique des tissus, et vice versa.

Nous utilisons la mouche Drosophila pour répondre à ces questions. Les principales composantes de la mécanique des cellules et de leur régulation sont partagées entre les humains et cet organisme qui se prête à une combinaison très puissante d’approche fonctionnelle, moléculaire et physique. Notre groupe est largement interdisciplinaire et emploie une vaste batterie de méthodes expérimentales allant de la biochimie à la génétique, l’imagerie et la modélisation quantitative.

PUBLIC EXPÉRIMENTÉ

La morphogenèse des animaux fascine les scientifiques depuis des décennies. Embryologistes, généticiens, biologistes cellulaires et, depuis peu, physiciens ont considérablement fait progresser notre compréhension de la morphogenèse chez les organismes multicellulaires. L’étude de la morphogenèse suit 3 grandes tendances. Un intérêt de longue date porté sur le contrôle spatial de l’identité / comportement cellulaire a conduit à l’identification de principes généraux concernant l’organisation de la morphogenèse par le flux d’information. Les fondements de la morphogenèse en biologie cellulaire ont progressivement émergé pour exploser il y a 10 ans, avec l’avènement de l’imagerie en temps réel. Les changements de forme des cellules qui sous-tendent l’invagination et l’extension des tissus ont été caractérisés : constriction apicale, intercalation cellulaire. La morphogenèse des cellules requiert la génération de force ainsi que son contrôle spatial par des voies biochimiques spécifiques. Une tendance plus récente, favorisée par une description quantitative de la dynamique des cellules, permet une compréhension quantitative / physique de la morphogenèse. La morphogenèse des tissus est donc devenu un domaine de recherche interdisciplinaire actif, en très forte expansion.

La recherche chez la drosophile est un secteur à la pointe pour comprendre la façon dont les voies biochimiques contrôlent la mécanique des cellules et les changements de forme cellulaire conduisant à la morphogenèse épithéliale. L’allongement et l’invagination des tissus sont deux classes universelles de changement de forme tissulaire conduisant à la gastrulation. L’invagination du mésoderme, au niveau ventral de l’embryon, a servi de paradigme pour expliquer l’invagination épithéliale entraînée par la constriction des cellules apicales. Des processus similaires conduisent à la fermeture du tube neural chez les vertébrés, et à l’invagination de l’endoderme chez les nématodes, les ascidies, etc…La constriction apicale nécessite la phosphorylation apicale de la myosine-II (MyoII) par la kinase ROCK, qui elle-même est activée par la petite GTPase Rho1 et en amont par GEF, telles que RhoGEF2. L’extension de l’ectoderme ventral latéral appelé le « germband », ou extension du « germband » (GBE), est devenue un paradigme pour l’étude de l’extension épithéliale. Ce processus est piloté par des échanges de voisinage spatialement contrôlés ou par intercalation de cellules. Durant l’intercalation, les jonctions cellulaires sont remodelées de manière plane et polarisée. Cela s’explique par l’enrichissement polarisé de câbles de myosine-II en contraction, appelé jonctions «verticales» (figure 1A), et par la réduction correspondante des niveaux de Ecad. Comme dans la constriction apicale, le recrutement polarisé de MyoII dépend de l’activation en amont par ROCK et RhoGEFs, comme par exemple RhoGEF2(15). Ainsi, des voies biochimiques similaires sont à la base de la génération de force dans différents processus morphogénétiques. De récentes études soulignent des similitudes encore plus profondes. Lors de la constriction apicale et de l’intercalation cellulaire, les réseaux d’actomyosine alternent des phases de déformation et de stabilisation. La déformation cellulaire est entraînée par la concentration d’actomyosine dans les impulsions contractiles apicale médiale (figure 1B). La fréquence des impulsions peut définir la vitesse de déformation. Alors que la stabilisation est apicale dans les cellules du mésoderme, elle ne se produit qu’au niveau des rétrécissements des jonctions “verticales” dans les cellules ectodermiques qui s’intercalent (Fig. 1B, C). Ce mécanisme à effet cliquet est apparu comme une caractéristique générale de la mécanique épithéliale. Bien que les cellules du mésoderme et de l’ectoderme affichent une contractilité pulsatile apicale de l’actomyosine similaire, leur comportement est différent. Dans les cellules de l’ectoderme, les impulsions d’actomyosine fluctuent de manière anisotrope, ie. d’une manière plane et polarisée au niveau des rétrécissements de jonctions (figure 1B). Cependant, dans les cellules du mésoderme, les impulsions n’aboutissent pas et entraînent une déformation isotrope (figure 1C). La présence ou l’absence de flux est donc un point de bifurcation du développement entre constriction (invagination des tissus), et intercalation (extension du tissu).

Ces résultats conduisent à un cadre général de la morphogenèse basé sur i) le contrôle spatial de la déformation des cellules par les flux d’actomyosine et de la stabilisation, et ii) le contrôle temporel par des impulsions contractiles.

Questions ouvertes : un certain nombre de questions clés demeurent encore sans réponse.

• Comment la contractilité pulsatile est-elle contrôlée par les réseaux d’actomyosine ?
• Quels facteurs caractérisent les différentes propriétés mécaniques de stabilisation et de déformation des réseaux d’actomyosine?
• Comment est contrôlée la présence / absence de flux d’actomyosine et comment ce flux est-il orienté?
• Comment les forces d’actomyosine sont-elles transmises aux contacts cellulaires? Les forces de transmission par les groupes d’adhésion sont-elles régulées par la tension actomyosine? La force de transmission agit-elle sur la génération de la force?
• Quelles voies de signalisation interviennent au niveau du contrôle spatial durant les processus de déformation et stabilisation cellulaire ?
• Quel rôle a la polarisation planaire dans l’intercalation? Comment les cellules communiquent-elles au cours de ce processus?
• Comment les propriétés mécaniques locales sont-elles coordonnées entre les cellules pour atteindre la déformation des tissus robustes?