Contractile response of biomimetic actomyosin systems

• Main Author: Ennomani, Hajer
• Other Authors: Grenoble Alpes
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Système contractile; Actine; Myosine; Contractil system; Myosin; Actin; 570
• Online Access: http://www.theses.fr/2015GREAY054/document

La contractilité cellulaire, un phénomène orchestrée par le système d'actomyosine, est un régulateur critique d'une large gamme de processus cellulaires, y compris l'établissement de la polarité cellulaire, la migration cellulaire, l'intégrité des tissus au cours de la morphogenèse ou du développement. Une simple perturbation de la génération de la force et des propriétés mécaniques des cellules peut affecter leurs fonctions physiologiques et par conséquent peut conduire à des défauts pathologiques y compris le cancer.Cependant, les mécanismes qui contrôlent la production de la force par le système acto-myosine et leurs modes de régulation dans les cellules ne sont pas pleinement compris. Au cours de ma thèse, j'ai utilisé un système biomimétique fait d'un ensemble minimal de protéines purifiées pour étudier les propriétés contractiles du système actomyosin.L'objectif était de comprendre comment l'architecture des filaments d'actine peut modifier la réponse contractile. A cet effet, j'étais d'abord intéressée par la construction d'une variété d'organisation de l'actine qui servira après comme substrat pour les moteurs moléculaires (la myosine) lors de la contraction.Afin de comprendre les principes généraux qui dictent l'assemblage de l'actine, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis d'identifier les paramètres clés, y compris l'interaction entre les filaments d'actine, les propriétés mécaniques de ces filaments et l'activation par contact entre une région de nucléation et les filaments d'actine qui poussent à partir d'un motif adjacent. Ce modèle a été utilisé en premier lieu pour implémenter les propriétés reliées à l'actine et en second lieu pour évaluer la réponse contractile des structures d'actine induite par la myosine.Durant ma thèse, j'ai pu démontrer que le niveau de connectivité module la déformation du réseau d'actine induite par la myosine, selon leur architecture. J'ai montré aussi que les protéines de pontages des filaments d'actine sont nécessaires pour effectuer une déformation et générer des forces au niveau des réseaux d'actine dynamiques en présence de la myosine. De plus, nous avons développé les simulations numériques dans le but de relier la déformation macroscopique des structures d'actines due à la myosine avec le mécanisme microscopique sous-jacent.Ce travail a révélé comment la variété des réseaux d'actine contracte d'une façon différente même en respectant les mêmes conditions biochimiques et a démontré l'importance de l'effet du réarrangement dynamique des structures d'actine sur la modulation de sa contractilité. === Cellular contractility – the internal generation of force by a cell orchestrated by theactomyosin machinery – is a critical regulator of a wide range of cellular processes includingthe establishment of cell polarity, cell migration, tissue integrity or morphogenesis duringdevelopment. Disruptions of the force generation and of mechanical properties of living cellsaffect their physiological functions and consequently can lead to pathological defectsincluding cancer. However, the parameters or mechanisms that drive force production by theactin-myosin system and their mode of regulation in cells are not fully understood. During myPhD, I used biomimetic system made of a minimum set of proteins to study the properties ofactomyosin contractile systems. The goal was to understand how/if the actin architecture canmediate the contractile response. For this purpose, I was first interested in building a varietyof actin organization that will serve next as substrate for myosin during contraction. Tounderstand the general principles that dictate geometrically-controlled actin assembly, wedeveloped a model that allowed us to identify key parameters including filaments/filamentsinteraction, filament mechanical property and contact activation between actin filamentsgrowing from the adjacent pattern and the nucleation area. These actin templates were usedthen to evaluate the response of oriented actin structures to myosin-induced contractility. Idemonstrated that crosslinking level modulates the myosin-induced deformation of actinnetworks according to their architecture. I showed also that crosslinkers are necessary tosustain myosin-driven deformation and force production of dynamic actin networks. Inaddition, we developed numerical simulation in order to relate the observed myosin-drivenactin deformation with the underlying microscopic mechanism. This work revealed howdiverse cellular actin networks contract differently to a define set of biochemical conditionsand hence how dynamic rearrangements can modulate network contractility