“ Fibres de stress ” et anisotropie : cause ou effet

Quelques expli­ca­tions sur un stage de 3^e année à Ber­ke­ley. Dans ce labo­ra­toire, on étu­die les bases bio­lo­giques de la forme des cel­lules et de leur mobi­li­té. L’é­tude a por­té sur des cel­lules ayant des fibres de stress qui leur per­mettent d’exercer des forces sur leur environnement.

Le labo­ra­toire du pro­fes­seur Kumar, à l’université de Cali­for­nie à Ber­ke­ley, étu­die, entre autres, les bases bio­lo­giques de la forme des cel­lules et de leur mobilité. 

C’est là que, dans le cadre de mon stage de troi­sième année, j’ai étu­dié ces fibres étonnantes. 

LA CELLULE, SES FIBRES DE STRESS ET SON ENVIRONNEMENT

Image en fluo­res­cence d’une cel­lule U2OS RFP-LifeAct vue du des­sus. Les fibres de stress sont fluorescentes.

La forme d’une cel­lule est contrô­lée par son cytos­que­lette, un ensemble de fila­ments rigides. On en dis­tingue plu­sieurs caté­go­ries, dont les fibres de stress. 

Sur l’image ci-contre, les fibres de stress dites ven­trales d’une cel­lule sont ren­dues visibles par des molé­cules fluorescentes. 

Ces fibres de stress sont ancrées à leurs deux extré­mi­tés dans l’espace qui envi­ronne la cel­lule, la matrice extra-cel­lu­laire, par le biais d’un assem­blage com­plexe de molé­cules reliant l’intérieur et l’extérieur de la cellule. 

Les fibres de stress sont com­po­sées de deux élé­ments prin­ci­paux : des fila­ments d’actine reliés entre eux par des fila­ments de myo­sine, qui peuvent se contrac­ter pour faire glis­ser les fila­ments d’actine les uns par rap­port aux autres et ain­si contrac­ter la fibre. 

Ain­si, les fibres de stress per­mettent à la cel­lule d’exercer des forces sur la matrice extracellulaire. 

LES FIBRES DE STRESS ET L’ANISOTROPIE DES CELLULES

“ Les fibres de stress permettent à la cellule d’exercer des forces sur son environnement ”

Cer­taines études ont mon­tré que, lorsque la cel­lule est géo­mé­tri­que­ment ani­so­trope ou pola­ri­sée, c’est-à-dire quand on peut défi­nir un axe long et un axe court, les fibres de stress sont à la manœuvre pour ali­gner avec l’axe long de la cel­lule cer­taines struc­tures cel­lu­laires (les « organes » de la cel­lule : les orga­nelles, l’axe de divi­sion cellulaire…). 

Ces phé­no­mènes sont d’autant plus mar­qués que l’écart entre les deux axes est grand. La pre­mière par­tie de mon pro­jet de recherche consis­tait à étu­dier com­ment cette ani­so­tro­pie de la cel­lule se reflète dans les pro­prié­tés des fibres de stress. 

Pour ce faire, j’ai employé plu­sieurs tech­niques : le micro­pat­ter­ning per­met­tant de faire varier les dimen­sions des cel­lules et la posi­tion des fibres de stress, et l’ablation au laser pour carac­té­ri­ser les pro­prié­tés vis­co­élas­tiques des fibres. 

J’ai appli­qué simul­ta­né­ment les deux tech­niques à des fibres de stress situées sur le long et sur le petit côté de cel­lules rec­tan­gu­laires de diverses dimen­sions : on n’observe pas de dif­fé­rence signi­fi­ca­tive entre les pro­prié­tés vis­co­élas­tiques des fibres situées sur le petit et le long côté du rec­tangle, pour toutes les dimen­sions de cel­lules testées. 

J’en ai conclu que les pro­prié­tés vis­co­élas­tiques étaient intrin­sèques à la fibre de stress et ne dépen­daient pas de sa posi­tion dans la cel­lule. Bien que la forme de la cel­lule et l’organisation du réseau des fibres de stress soient ani­so­tropes, cette pro­prié­té n’est pas reflé­tée dans les pro­prié­tés d’une fibre isolée. 

Les cir­cuits de l’information concer­nant l’anisotropie de la cel­lule ne passent donc pas par les pro­prié­tés vis­co­élas­tiques des fibres de stress. 

COMMENT LES CELLULES S’APPUIENT SUR LEUR MATRICE

La seconde par­tie de mon tra­vail visait à com­prendre com­ment l’anisotropie de la cel­lule se tra­dui­sait dans les forces exer­cées par la cel­lule sur sa matrice extracellulaire. 

Inten­si­té des forces exer­cées (3) par une cel­lule sur sa matrice (1) grâce à ses fibres de stress (2).

Pour cela, j’ai uti­li­sé une méthode appe­lée « Micro­sco­pie des forces de trac­tion », qui consiste à obser­ver le dépla­ce­ment de billes fluo­res­centes embar­quées dans une matrice extracel­lu­laire de forme rec­tan­gu­laire lorsque l’on retire la cellule. 

Un algo­rithme per­met ensuite de remon­ter aux forces exer­cées par la cel­lule sur la matrice avant qu’elle ne soit détachée. 

À pre­mière vue, il m’avait sem­blé que les forces étaient concen­trées sur les bords courts du rec­tangle lorsque la cel­lule était for­te­ment pola­ri­sée. Cepen­dant, une modé­li­sa­tion minu­tieuse de la valeur des efforts selon l’axe court de la cel­lule m’a mon­tré que les zones d’efforts éle­vés se situaient tou­jours aux 4 angles du rectangle. 

Lorsque le petit côté devient trop court, les deux pics se rap­prochent et se confondent, car la réso­lu­tion de la méthode employée est trop faible pour les distinguer. 

J’ai remar­qué que les fibres de stress des courts et longs côtés avaient des pro­prié­tés vis­co­élas­tiques simi­laires, bien qu’elles soient situées dans des envi­ron­ne­ments très dif­fé­rents en termes de forces exer­cées. En effet, les extré­mi­tés des fibres des petits côtés sont situées en plein cœur des zones de forte ten­sion, alors que celles des longs côtés sont dans des zones où les forces exer­cées sont plu­tôt faibles… 

J’en ai déduit que les pro­prié­tés des fibres de stress dépen­daient peu de leur environnement. 

LES FIBRES DE STRESS SERAIENT-ELLES INDIFFÉRENTES À L’ANISOTROPIE ?

Je prends ces résul­tats avec pru­dence, car la varia­bi­li­té entre les cel­lules est éle­vée et la com­plexi­té du pro­to­cole pro­voque un cer­tain sous-échan­tillon­nage. Cepen­dant, ils semblent indi­quer que les pro­prié­tés d’une fibre de stress ne reflètent pas l’anisotropie des phé­no­mènes dans les­quels elle est impli­quée : forme de la cel­lule, orga­ni­sa­tion du réseau des fibres de stress, forces exer­cées, migra­tion, divi­sion cellulaire… 

Les fibres de stress ne semblent donc pas sim­ple­ment exer­cer des forces à leurs extré­mi­tés, mais elles pour­raient plu­tôt contri­buer à la mise sous ten­sion glo­bale du réseau qu’elles forment.

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