Relation entre forme, tension et adhésion au cours de l'étalement d'une cellule animale

199 Pages·2017·10.97 MB·French

by  Jonathan Fouchard

Relation entre forme, tension et adhésion au cours de
l’étalement d’une cellule animale
Jonathan Fouchard
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Jonathan Fouchard. Relation entre forme, tension et adhésion au cours de l’étalement d’une cellule
animale. Biophysique. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. Français. ￿NNT: 2012PA077141￿.
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
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´
UNIVERSITE PARIS DIDEROT
(Paris 7)
Laboratoire Mati`ere et Syst`emes Complexes
`
THESE
pour l’obtention du grade de
´
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS DIDEROT
Sp´ecialit´e : Physique
E´cole Doctorale : Interdisciplinaire pour le Vivant (ED 387)
————————–
Relation entre forme, tension et adh´esion au cours
de l’´etalement d’une cellule animale
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pr´esent´ee
par
JONATHAN FOUCHARD
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Soutenue le 23 Novembre 2012 devant le Jury compos´e de :
Julie PLASTINO Rapportrice
Abdul BARAKAT Rapporteur
Alexander BERSHADSKY Examinateur
Yves COUDER Examinateur
Pierre-Franc¸ois LENNE Examinateur
Atef ASNACIOS Directeur

Remerciements
Cette th`ese n’est pas l’œuvre d’une personne. Ce n’est pas de la fausse modestie que
d’´ecrire c¸a; au contraire, c’est reconnaˆıtre la force d’un collectif. Ils ont ´et´e nombreux
ceux qui ont particip´e `a ce travail. Et ce travail naturellement leur appartient.
Je les remercie tous pour ce qu’ils sont. Durant plus de trois ann´ees, il n’y a pas un
matin ou` je ne me sois lev´e sans l’envie de retrouver le laboratoire, les gens que je cite
ici y sont pour une grande part.
Je souhaite aussi remercier l’ensemble des membres du jury qui ont accept´e avec
sympathie de juger ce travail.
*
Cetteth`esefutinspir´eeparlestravauxdeNicolasDespratetD´emosth`eneMitrossilis,
dirig´es par Atef Asnacios.
C´elian Bimbard, Nathalie Bufi, Olivier de Freitas, Pauline Durand et Alain Richert
ont r´ealis´e quelques unes des exp´eriences d´ecrites ici.
Pour le traitement d’images et les divers probl`emes informatiques, il y avait Olivier
Cardoso.
Jean-Louis Counord a conc¸u les pi`eces m´ecaniques; Laurent R´ea et Alexandre
Lantheaume les ont fac¸onn´e.
Pour l’´electronique, il y avait Jacques Servais et Arnaud Grados.
Alain Richert faisait la culture cellulaire.
Booboo ´etait l’ing´enieure chimiste; Nathalie Luciani ´etait l’ing´enieure biologiste.
Carole Barache, Nadine Beyer, Lucie Bouchu et Danielle Champeau s’occupaient
de la comptabilit´e et de l’administration.
Pourlesdiscussionsscientifiques,ilyavaitH´el`eneConjeau,JocelynEtienne,Cyprien
Gay, Franc¸ois Gallet, Sylvie H´enon, Jean-Pierre Henri, D´emosth`ene Mitrossilis, Amsha
Proag et Michel Seigneuret.
Yves Couder et les dames du RU ´etaient l`a aussi.
Avec Atef Asnacios, Sophie Asnacios, Pierre Bohec, Nathalie Bufi, Olivier Car-
doso, Elisabeth Charrier, Loudji Chevry, H´el`ene Conjeau, Jean-Louis Counord, Marc-
Antoine Fardin, Olivier de Freitas, Pauline Durand, Guillaume Frasca, G´erald Gurtner,
I
F´elix Lebois, Sandra Lerouge, Michael L´evy, D´emosth`ene Mitrossilis, Amsha Proag,
Giuseppe Pucci, Laurent R´ea, Alain Richert, Damien Robert et Michel Seigneuret,
nous refaisions r´eguli`erement le monde.
SarahDulaurier,ClaireFauveauetNathalieBufi´etaientl`adansl’intimequotidiennet´e.
Cette th`ese fut dirig´ee par l’original et saisissant Atef Asnacios.
C’est Jean-Luc Godard qui a inspir´e ces remerciements.

Table des mati`eres
Avant-propos 1
1 Contexte g´en´eral
(ou Comment des facteurs m´ecaniques peuvent influencer la physiologie
d’une cellule animale?) 5
1.1 Forme d’une cellule animale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 G´en´eralit´es sur la cellule animale . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Forme et tension superficielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3 Acteurs biologiques `a l’origine de la forme . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Un mat´eriau mou en ´equilibre dynamique dans un mat´eriau mou en
´equilibre dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 M´ecanique de l’int´erieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 M´ecanique de l’ext´erieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
´
1.3 L’environnement m´ecanique influence la vie des cellules animales - Evi-
dences exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.1 Confinement g´eom´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.2 Rigidit´e du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
´
1.3.3 Etirement - cisaillement - compression . . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.4 En bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.3.5 Les cellules fac¸onnent leur environnement m´ecanique (suppl´e-
ment de complexit´e) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.4 M´ecanismes d’int´egration des signaux m´ecaniques . . . . . . . . . . . . 53
1.4.1 R´eponse du cytosquelette `a l’´echelle globale . . . . . . . . . . . 53
1.4.2 D´etection de l’environnement m´ecanique `a l’´echelle locale . . . . 56
1.4.3 R´egulation g´en´etique `a partir d’information m´ecanique . . . . . 58
1.4.4 Vers une vision int´egr´ee de la m´ecano-transduction . . . . . . . 60
1.5 Conclusions du chapitre et objectifs de la th`ese . . . . . . . . . . . . . 63
2 Cin´etique de l’´etalement sur substrat plan, forme cellulaire et formation
des complexes d’adh´esion 67
´
2.1 Contexte particulier : Etalement pr´ecoce de cellules animales . . . . . . 71
´
2.1.1 El´ements exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.1.2 Approches physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.1.3 Approches biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.1.4 Approche interm´ediaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.1 Proc´edure exp´erimentale et m´ethode d’analyse . . . . . . . . . . 79
V
2.2.2 Cin´etique du rayon cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2.3 Dynamique des complexes d’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2.4 Corr´elation entre cin´etique de l’´etalement et formation des com-
plexes d’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.2.5 Seuil d’apparition des adh´esions - Angle de contact du corps cel-
lulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.6 Effet de la tension interne sur l’´etalement et la dynamique des
complexes d’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.2.7 Effet de la sp´ecificit´e du substrat et de la densit´e de ligands . . 94
2.2.8 Morphologie de la membrane au cours de l’´etalement . . . . . . 97
2.3 Discussion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.1 Vers un mod`ele int´egr´e de l’´etalement cellulaire . . . . . . . . . 99
2.3.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3 Forme, force, adh´esions : ´etalement d’une cellule entre deux plaques 107
3.1 Dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.1 Principe et g´eom´etrie du dispositif . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.2 Dispositif de d´etection de la force . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.3 Interfacage et r´etroaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.1.4 Limites du dispositif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.1.5 Proc´edure exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.2.1 Observations g´en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
´
3.2.2 Etalement, force et adh´esions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.2.3 Corr´elation entre cin´etique de l’´etalement et formation des com-
plexes d’adh´esion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.2.4 Corr´elation entre apparition de la force et des adh´esions - Effet
de la raideur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.2.5 Variation des param`etres de transition selon la raideur . . . . . 129
3.2.6 Croissance de la force et des adh´esions - Exp´eriences `a raideur
variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.7 Saturation de la force et des adh´esions . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3 Discussion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.3.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.3.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4 Comparaison entre ´etalement cellulaire sur substrat plan et entre deux
plaques 141
4.1 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1.1 Observations g´en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1.2 Premi`ere phase et transition de l’´etalement . . . . . . . . . . . . 146
4.1.3 Croissance des adh´esions et ´etat final . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 Discussion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.2.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.2.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3 R´esum´e des r´esultats obtenus dans les chapitres 2,3 et 4 . . . . . . . . . 152
Conclusion 155
Tableau r´ecapitulatif des param`etres caract´eristiques de l’´etalement 159
A Traitement d’image et analyse 161
B Photo-blanchiment et phototoxicit´e 165
C Fabrication des motifs adh´esifs 169
D Marquages et microscopie confocale 171
E Calibration et lavage des lamelles 173
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175