Molecular and cellular mechanisms of mechanotransduction and mechano-sensing at cell-cell junctions – MECANOCAD

Nous avons pour objectif d’étudier les mécanismes de mécano-transduction et de mécanosensitivité aux contacts cellule-cellule de l’échelle moléculaire jusqu’à l’échelle multicellulaire, et ceci grâce à une approche multidisciplinaire combinant la biologie cellulaire avec les progrès récents et les développements escomptés des techniques de micro et nano-fabrications et de biophysique permettant de cartographier, de quantifier et d’appliquer des forces dans les gammes de celles perçues et appliquées par les cellules dans les tissus. Nous utiliserons des techniques de pointe en imagerie de fluorescence à hautes résolutions spatiale et temporelle afin d’accéder aux évènements de réarrangement moléculaire associés à cette mécano-transduction directement dans la cellule vivante tout en appliquant des forces contrôlées. A notre connaissance, cette étude de la transduction de forces aux contacts intercellulaires est un champ de recherche quasi vierge dans lequel seuls quelques laboratoires de par le monde dont les partenaires 1 et 2 de ce projet ont ébauché l’étude. Aborder cette question nécessite des compétences scientifiques et techniques extrêmement variées qui sont réunies par les 3 partenaires de cette demande, et une approche multidisciplinaire dont ils sont déjà familiers. En effet, en plus des approches biochimiques et de biologie cellulaire apportées par le partenaire 2, ce programme prévoit l’implémentation et le développement de microcapteurs de forces et d’études en AFM portées par le partenaire 1, ainsi que des approches d’imagerie multimodales (partenaire 3). La réussite de l’association entre les 3 équipes est confortée par des collaborations deux à deux déjà largement établies et par la maîtrise de la plupart des approches envisagées. Comme tous les partenaires ont déjà une expérience de la multidisciplinarité, le programme de recherche embrayera directement sur des expérimentations nécessitant au moins deux compétences dans des domaines différents.

1) Les forces mécaniques jouent un rôle important dans la croissance et la formation des tissus et des organes qui composent notre corps. L'utilisation de substrats microfabriqués nous a permis de mieux comprendre comment les cellules répondent à la rigidité de leur environnement. Nous avons réussi à corréler les variations des forces en jeu lors du déplacement d'une cellule sur des substrats plus ou moins mous avec la réorganisation de l'architecture interne des cellules et montrer que l’adaptation des forces de tension résulte d’une réorganisation interne du cytosquelette d’actine de la cellule. Cette étude montre qu’il jouerait également le rôle de structure mécanosensible à grande échelle en adaptant son organisation à la rigidité du milieu extérieur, les filaments s’alignant davantage dans une même direction sur un substrat plus rigide pour exercer des forces plus importantes.
2) La migration cellulaire collective dans laquelle les cellules maintiennent des contacts cellule-cellule, est un mécanisme fondamental au cours du développement embryonnaire mais aussi chez l’adulte lors des phénomènes de cicatrisation de plaies ou de développement de certaines tumeurs. En utilisant des substrats micro-patternés combinés à des techniques de micro-mécanique, nous avons étudié le rôle du confinement et des contraintes géométriques sur la migration collective des cellules épithéliales. Nous avons pu mettre en évidence que la dynamique interne de ce type de migration induit des mouvements à grande échelle au sein des monocouches cellulaires qui sont modifiés par les contraintes géométriques).
3) Nous avons mis en evidence un rôle conjoint de a-catenin et de la vinculine dans l'établissement des forces.
4) Nous avons développé des outils de microscopie optique et de pinces optiques pour visualiser les complexes et étudier la réponse cellulaire ``des contraintes mécaniques.

Nous devrions à l’issue de ce travail mieux comprendre les modes d’interaction cellule-cellule et cellule-substrat mais aussi avancer dans la compréhension des mécanismes de signalisation intervenant dans la modification du phénotype des cellules épithéliales. Il s’agit de caractériser et de quantifier certains mécanismes de l’adhésion et de la migration cellulaires afin de pouvoir éventuellement les moduler. Grâce aux résultats de ces différentes expériences, nous serons en mesure de préciser les
conditions mécaniques/chimiques/biologiques qui permettent un couplage des interactions cellulesubstrat et cellule-cellule pour promouvoir ou inhiber l'adhésion intercellulaire. La réponse à ces questions devrait apporter un éclairage déterminant sur les mécanismes qui régulent la formation des
amas cellulaires, leur degré de cohésion relativement à l'étalement sur la matrice extracellulaire (morphogénèse et réparation des tissus), ou leur tendance à se dissocier et à favoriser la migration de cellules individuelles (comportement métastatique). Cette étude devrait donc nous permettre de dégager de nouveaux concepts dans le domaine des interactions cellulaires et ainsi favoriser la compréhension des mécanismes d’adhésion et de migration importants dans la formation et la cohésion des tissus.

1- B. Ladoux & A. Nicolas , Reports on Progress in Physics, in press (2012).
2- SRK. Vedula, MC. Leong, T. Lei Lai, P. Hersen, A. J. Kabla,
CT. Lim & B. Ladoux Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 12974-79 (2012).
3- A. Jasaitis, M. Estevez, J. Heynsch, B. Ladoux, S. Dufour, Biophysical
Journal 103, 175-84 (2012).
4- E. Anon, X. Serra-Picamal, P. Hersen, N. C. Gauthier, M. P.
Sheetz, X. Trepat & B. Ladoux, Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 10891-96 (2012).
5- Trichet L, Le Digabel J, Hawkins RJ, Vedula SR, Gupta M, Ribrault C, Hersen P, Voituriez R & Ladoux B., Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 6933-6938 (2012).
6- J. Le Digabel, N. Biais, J. Fresnais, J.-F. Berret, P. Hersen & B. Ladoux. Lab on a Chip, 11, 2630-2636 (2011).
7- Padilla-Parra, S., Audugé, N., Coppey-Moisan, M. & Tramier, T. Micros. Res. Tech. 74: 788-793 (2011).
8- S. C. Wuang, B. Ladoux & C. T. Lim. Cellular and Molecular Bioengineering, 4, 466-475 (2011).

Ouvrages:
1. N. Biais, D. Higashi, M. So & B. Ladoux,Methods in Molecular Biology, 799:197-216 (2012).
2. Padilla-Parra S., Audugé N., Coppey-Moisan M. & Tramier M. In Fluorescence Spectroscopy and Microscopy: Methods and Protocols. In Methods in Molecular Biology (Yves Engelborghs and Ton Visser
editors), 2012

La façon dont les cellules sont capables de percevoir et d’intégrer les propriétés de leur environnement et de répondre pour maintenir l’homéostasie à l’échelle de la cellule, du tissu ou de l’organe reste une des questions centrales de la biologie moderne. La réponse cellulaire aux signaux mécaniques est critique pour le développement et des protéines clé peuvent altérer la mécanique cellulaire conduisant par exemple à une augmentation incontrôlée de la migration cellulaire. L’étude de la réponse mécanique des cellules adhérant à la matrice ou aux autres cellules et de l’adaptation des contacts cellulaires au stress mécanique imposé par l’environnement devrait permettre de déterminer le rôle de ces protéines clé dans l’adhésion et la migration des cellules normales et malades. Cependant, la transduction du stress mécanique comme signal perçu par la cellule a été sous-estimé par des générations de biologistes. Cette mécano-transduction est intimement associée aux processus d’adhésion cellulaire localisés aux contacts cellule/matrice extracellulaire et cellule/cellule. Bien que le stress mécanique, au travers de son effet sur la tension intracellulaire, ait été mis en avant il y a plusieurs décades pour son action régulatrice sur la forme, la migration et la différenciation des cellules, pratiquement rien n’est connu au sujet de la mécano-transduction aux contacts intercellulaires. L’objectif de notre projet est de déterminer comment les ligands intercellulaires principaux des jonctions intercellulaires de types adherens: les cadhérines et protéines associées, perçoivent et s’adaptent au stress mécanique tout en le transmettant de cellule en cellule dans le contexte de tissus épithéliaux. Nous avons pour objectif d’étudier les mécanismes de mécano-transduction et de mécanosensitivité aux contacts cellule-cellule de l’échelle moléculaire jusqu’à l’échelle multicellulaire, et ceci grâce à une approche multidisciplinaire combinant la biologie cellulaire avec les progrès récents et les développements escomptés des techniques de micro et nano-fabrications et de biophysique permettant de cartographier, de quantifier et d’appliquer des forces dans les gammes de celles perçues et appliquées par les cellules dans les tissus. Nous utiliserons des techniques de pointe en imagerie de fluorescence à hautes résolutions spatiale et temporelle afin d’accéder aux évènements de réarrangement moléculaire associés à cette mécano-transduction directement dans la cellule vivante tout en appliquant des forces contrôlées. A notre connaissance, cette étude de la transduction de forces aux contacts intercellulaires est un champ de recherche quasi vierge dans lequel seuls quelques laboratoires de par le monde dont les partenaires 1 et 2 de ce projet ont ébauché l’étude. Aborder cette question nécessite des compétences scientifiques et techniques extrêmement variées qui sont réunies par les 3 partenaires de cette demande, et une approche multidisciplinaire dont ils sont déjà familiers. En effet, en plus des approches biochimiques et de biologie cellulaire apportées par le partenaire 2, ce programme prévoit l’implémentation et le développement de microcapteurs de forces et d’études en AFM portées par le partenaire 1, ainsi que des approches d’imagerie multimodales (partenaire 3). La réussite de l’association entre les 3 équipes est confortée par des collaborations deux à deux déjà largement établies et par la maîtrise de la plupart des approches envisagées. Comme tous les partenaires ont déjà une expérience de la multidisciplinarité, le programme de recherche embrayera directement sur des expérimentations nécessitant au moins deux compétences dans des domaines différents.