Image en fluorescence d’une cellule U2OS RFP-LifeAct

“ Fibres de stress ” et anisotropie : cause ou effet

Dossier : ExpressionsMagazine N°726 Juin/Juillet 2017
Par Anne-Lou ROGUET (13)

Quelques expli­ca­tions sur un stage de 3e 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. 

LE MICROPATTERNING

Cette technique consiste à imprimer des motifs adhésifs de la taille d’une seule cellule sur un fond sur lequel la cellule ne pourrait sinon pas adhérer. Ainsi la forme de la zone sur laquelle la cellule peut s’étaler est maîtrisée, et donc aussi la forme de la cellule.

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. 

Forces exercées par une cellule sur sa matrice
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 ?

ABLATION AU LASER

L’ablation au laser consiste à couper la fibre de stress à laquelle on s’intéresse en son milieu et à observer la cinétique de la rétraction des extrémités coupées. En comparant cette cinétique à un modèle viscoélastique, on obtient deux grandeurs caractérisant les propriétés de la fibre : la distance de rétraction et le temps caractéristique de la rétraction.

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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