La Motilité Cellulaire
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Ecole Interdisciplinaire d'échanges et de formation en biologie Thème 2006: Le temps en biologie La Motilité Cellulaire Angélique Stéphanou Equipe DynaCell, Laboratoire TIMC-IMAG, UMR CNRS 5525 1 La motilité cellulaire Plan de l'exposé Que désigne le terme « motilité » ? Où la motilité intervient-elle ? Comment se déforme la cellule ? Comment la cellule migre t'elle ? Deux types de comportements migratoires Comment la migration de la cellule est-elle induite ? L'auto-organisation spatio-temporelle dans les déformations Mécanisme à l'origine de la protrusion membranaire 2 Que désigne le terme « motilité » ? Mobilité vs Motilité: la mobilité désigne la nature d'un élément en ce qu'il fait des mouvements tandis que la motilité insiste sur sa capacité à les produire. Motilité Cellulaire: aptitude à effectuer des mouvements spontanés ou réactionnels dans la cellule; l'actine, sous sa forme filamenteuse (µ-filaments) est un acteur majeur de cette dynamique. pseudopode lamellipode Visualisation en microscopie par fluorescence de l'actine (marquage GFP) à l'origine des mouvements spontanées d'une cellule de type fibroblaste Olivier Collin, DynaCell, 2004 3 Où la motilité intervient-elle ? La motilité intervient de façon fondamentale dans de nombreux processus physiologiques tels que: le développement embryonnaire, où les cellules migrent en des endroits spécifiques pour la morphogenèse des tissus et des organes Migration de cellules lors d'une expérience de cicatrisation in-vitro. la cicatrisation, où les cellules migrent pour restaurer un tissu endommagé la vascularisation, où les cellules endothéliales migrent pour former un réseau de capillaires lors de l'angiogenèse l'inflammation, où les leucocytes (globules blancs) migrent vers les sites infectés pour détruire les bactéries Jocelyne Clément-Lacroix, DynaCell, 2004 Mouvement réactionnel où la migration résulte du contact entre les cellules. 4 Où la motilité intervient-elle ? La motilité intervient également dans des processus pathologiques tels que: La vascularisation tumorale, ou les cellules endothéliales migrent en réponse à des facteurs de croissance sécrétés par la tumeur, La métastatisaton des cancers, où les cellules tumorales se détachent de la tumeur primaire pour se disséminer à travers l'organisme via le réseau sanguin. La croissance tumorale résulte en particulier de dérèglements de la prolifération cellulaire et du comportement migratoire des cellules. 5 Comment se déforme la cellule ? Le cytosquelette: un réseau structuré formé de 3 types de filaments Réseau d’actine (Ø 5-7 nm) Cellule en migration Filaments intermédiaires (Ø 7-11 nm) Microtubules (30 nm) 6 Comment se déforme la cellule ? Les propriétés du cytosquelette d'actine Les filaments d'actine s'associent pour former des fibres de stress Les fibres se lient au substrat via les intégrines (protéines transmenbranaires) Olivier Collin, DynaCell, 2004 L'actine s'associe à la myosine pour former un complexe contractile (actomyosine) 7 Comment se déforme la cellule ? Les protéïnes impliquées dans la dynamique de l'actine La cellule produit deux types de protrusions, le lamellipode et le filopode qui impliquent des facteurs moléculaires et des mécanismes différents Svitkina & Borisy J. Cell Sci. 1999 Borisy et col. 2000 8 Comment la cellule migre t'elle ? La migration: un processus en 3 étapes Etape 1: Extension du lamellipode Etape 2: adhésion du lamellipode au substrat Etape 3: contraction de la cellule et détachement des adhésions à l'arrière 9 Deux types de comportements migratoires Le processus migratoire en 3 étapes s'applique dans les 2 cas Cellules au repos Cellules en migration 10 Comment la migration de la cellule est-elle induite ? La migration des cellules est induite par des facteurs chimiques et/ou physiques dans le microenvironnement. Par exemple: la chimiotaxie est induite par un gradient de facteur chimioattractant (facteur de croissance, etc ...) Visualisation des forces de tension générées par les cellules sur un substrat en silicone l'haptotaxie est induite par un gradient de protéines d'adhésion fixées dans la matrice extracellulaire (substrat) la durotaxie est induite par un gradient de rigidité dans la matrice extracellulaire la mécanotaxie est induite par des forces de tension mécanique orientées, perçues via la matrice Harris, Science, 1980 11 L'auto-organisation spatiotemporelle dans les déformations Intérêt de la modélisation mathématique Les mouvements membranaires peuvent présenter des motifs spatiotemporels récurents et périodiques, qui résultent de la coordination des processus biochimiques et biomécaniques. La modélisation mathématique devient alors essentielle pour tester la pertinence des différentes hypothèses pour décrire l'origine des mouvements protrusifs qui reste aujourd'hui encore sujet à controverse. Pulsation périodique spontanée d'un fibroblaste Déformations cellulaires simulées à partir d'un modèle couplant des hypothèses chimiques et mécaniques 12 Mécanisme à l'origine de la protrusion membranaire Des hypothèses contradictoires transition sol/gel de l'actine régulée par la concentration locale de calcium polymérisation de l'actine au voisinage de la membrane; l'intercalation des monomères est permise par les fluctuations browniennes de la membrane association de moteurs moléculaires de type myosine intéragissant avec l'actine pression hydrostatique interne Réconciliation des hypothèses en prenant en compte l'état dynamique de la cellule, c'est à dire en dissociant l'état pulsant spontané de l'état migratoire induit par un stimulus dans le microenvironnement. 13 Résumé La motilité cellulaire désigne l'aptitude de la cellule à effectuer des mouvements spontanés ou réactionnels. La motilité de la cellule intervient dans de nombreux processus physiologiques tels que l'embryogenèse, la cicatrisation, l'angiogenèse, l'inflammation ou lors de processus pathologiques tels que la croissance tumorale et la formation de métastases. La forme de la cellule résulte de l'organisation de trois types de filaments formant son cytosquelette: les microfilaments d'actine, les filaments intermédiaires et les microtubules. Le réseau de microfilaments d'actine est directement responsable des mouvements cellulaires grâce à ses propriétés de polymérisation / dépolymérisation et à ses propriétés contractiles en présence de myosine, autre protéïne importante de la cellule. La cellule produit essentiellement deux types de protrusions membranaires, le lamellipode et le filopode qui impliquent des facteurs moléculaires et des mécanismes d'association de l'actine différents. La migration de la cellule est un processus en trois étapes finement régulées: (1) l'extension d'un lamellipode assurant une large surface de contact avec la matrice extracellulaire; (2) l'adhésion du lamellipode à la matrice (substrat) via les intégrines; (3) la contraction de la cellule par le complexe d'actomyosine, accompagnée du détachement des adhésions à l'arrière de la cellule. Il existe deux types de comportement migratoire associés à deux types cellulaires (fibroblaste et keratocyte) présentant des morphologies différentes. Les trois phases de la migration s'appliquent dans les deux cas avec cependant des cinétiques très différentes. La migration des cellules peut-être induite par des facteurs chimiques (cas de la chimiotaxie et de l'haptotaxie) ou physiques (cas de la durotaxie et de la mécanotaxie) dans le microenvironnement. Les mouvements membranaires peuvent présenter des motifs spatiotemporels récurrents et périodiques, qui résultent de la coordination des processus biochimiques et biomécaniques. La modélisation mathématique devient alors essentielle pour tester la pertinence des différentes hypothèses pour décrire l'origine des mouvements qui reste, aujourd'hui encore, sujet à controverse. 14 Références (1/3) 1. Alt W, Brosteanu O, Hinz B, Kaiser HW. 1995. Patterns of spontaneous motility in videomicrographs of human epidermal keratinocytes. Biochem. Cell. Biol. 73(7-8): 441-59 2. Anderson KI, Wang YL, Small JV. 1996. Coordination of protrusion and translocation of the keratocyte involves rolling of the cell body. J. Cell Biol. 134:1209–18 3. Beningo KA, Dembo M, Kaverina I, Small JV, Wang YL. 2001. Nascent focal adhesions are responsible for the generation of strong propulsive forces in migrating fibroblasts. J. Cell Biol. 153:881– 88 4. Choquet D, Felsenfeld DP, Sheetz MP. 1997. Extracellular matrix rigidity causes strengthening of integrin-cytoskeleton linkages. Cell 88:39–48 5. Dembo M, Oliver T, Ishihara A, Jacobson K. 1996. Imaging the traction stresses exerted by locomoting cells with the elastic substratum method. Biophys. J. 70:2008–22 6. Giannone G, Dubin-Thaler BJ, Dobereiner HG, Kieffer N, Bresnick AR, Sheetz MP. 2004. Periodic lamellipodial contractions correlate with rearward actin waves. Cell 116:431–43 7. Harris AK, Wild P, Stopak D. 1980. Silicone rubber substrata: a new wrinkle in the study of cell locomotion. Science 208:177–79 8. Killich T, Plath PJ, Hass EC, Xiang W, Bultmann H, Rensing L, Vicker MG. 1994. Cell movement and shape are non-random and determined by intracellular, oscillatory rotating waves in Dictyostelium amoebae. Biosystems. 33(2):75-87 9. Lauffenburger DA, Horwitz AF. 1996. Cell migration: a physically integrated molecular process. Cell 84:359–69 15 Références (2/3) 10. 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Actomyosine – complexe contractile formé par l'association de myosine (type II) et de filaments d'actine. Cytosquelette – réseau de filaments protéïques de 3 types distincts (microfilaments d'actine, filaments intermédiaires et microtubules) responsable du maintien et de la forme de la cellule. Filopode – protrusion membranaire résultant de l'association de quelques filaments d'actine orientés parallèlement. Intégrine – protéïne transmembranaire liée au cytosquelette d'actine et impliquée dans l'adhésion cellulaire. Lamellipode – protrusion membranaire de très faible épaisseur et présentant une large surface de contact avec le substrat. Le cytosquelette d'actine est organisé en un réseau dense dans le lamellipode. Matrice extracellulaire – substrat contenant des protéïnes d'adhésion sur lequel la cellule peut adhérer et migrer Motilité – aptitude de la cellule à effectuer des mouvements spontanés ou réactionnels. 18
