La dernière étape de la cytocinèse, l’abscission, consiste en la coupure du pont intercellulaire reliant les deux cellules filles à la suite de la contraction de l’anneau acto-myosique. Comme toutes les étapes de la division cellulaire, l’abscission doit être régulée dans l’espace et dans le temps afin qu’elle intervienne au bon endroit et au bon moment. Mon travail de doctorat a porté sur l’étude de la régulation dans le temps de l’abscission par l’environnement des cellules filles, en particulier par les forces de traction exercées par les cellules sur le pont intercellulaire. En utilisant une combinaison d’approches permettant de contrôler le confinement spatial 2D des cellules filles, de mesurer les forces exercées par les cellules au cours de la cytocinèse et de micro-manipuler le pont intercellulaire, j’ai montré que, de façon contre-intuitive, une tension exercée au niveau du pont retardait l’abscission et qu’au contraire la relâche de cette tension induisait l’abscission. De plus, la régulation temporelle de l’abscission par les facteurs environnementaux des cellules filles implique les protéines des « Endosomal Sorting Complex Required for Transport III » (ESCRT-III), machinerie centrale de l’abscission. Enfin, des expériences préliminaires suggèrent que cette régulation serait importante pour le maintien de l’intégrité tissulaire et la morphogenèse au cours du développement. / The last step of cytokinesis, abscission, consists in the severing of the intercellular bridge connecting the two daughter cells after the contraction of the acto-myosin ring. As any other step of cell division, abscission has to be regulated both in time and space in order to take place at the proper time and proper place. During my PhD, I studied the temporal regulation of the abscission by the cell micro-environment, particularly by the traction forces exerted by the cells on the intercellular bridge. I used a combination of approaches to control the daughter cells 2D spatial confinement, to measure the forces exerted by the cells throughout cytokinesis, and to micro-manipulate the intercellular bridge. Counter-intuitively, a tension exerted on the intercellular bridge delayed abscission while a release of tension in the bridge induced abscission. Moreover, the temporal regulation of abscission by the environment of the daughter cells implies the Endosomal Sorting Complex Required for Transport III (ESCRT-III), the main abscission machinery. Finally, preliminary experiments suggest that this mechanism could be important for tissue integrity and morphogenesis.

Des forces intermoléculaires sur lesquelles nous avons peu de connaissances préalables sont souvent essentielles à la stabilité et à l'évolution des assemblages biologiques. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux de ces forces qui sont impliquées de façon critique dans la déformation soit des biopolymères, soit des membranes. Nous déduisons ces forces en conciliant la géométrie d'une telle déformation avec des modèles mécaniques simples. Dans la première partie de la thèse, nous examinons la force d'attraction entre les molécules d'ADN médiées par des cations multivalents. Cette attraction est nécessaire pour compenser la rigidité de l'ADN lors du confinement de grandes quantités d'ADN dans des environnements relativement petits, tels que les noyaux des spermatozoïdes. In vitro, les cations multivalents causent la condensation de l'ADN en faisceaux toroïdaux denses. Grâce à des données sur la géométrie de ces faisceaux, nous pouvons étudier la compétition entre les forces attractives et la rigidité de l'ADN. Nous inférons telles forces et proposons que la courbure toroïdale affaiblisse l'adhésion entre les molécules d'ADN. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à la force de liaison d'un complexe protéique de remodelage membranaire, ESCRT-III, aux membranes cellulaires. Les protéines ESCRT-III s'assemblent en polymères qui remodèlent la membrane au cours de nombreux processus cellulaires, allant du bourgeonnement du VIH à la cytokinèse. Le mécanisme par lequel les polymères ESCRT-III déforment les membranes n'est toujours pas clair. In vitro, les polymères ESCRT-III peuvent transformer des vésicules membranaires sphériques en tubes hélicoïdaux. Nous proposons que les tubes hélicoïdaux résultent du positionnement particulier des sites de liaison membranaire sur la surface des polymères ESCRT-III. De plus, nous déduisons la force de liaison entre les monomères ESCRT-III et la membrane à partir de la géométrie des tubes hélicoïdaux. / Inter-molecular forces on which we have poor prior knowledge are often essential for the stability and evolution of biological assemblies. In this thesis, we focus on two such forces that are critically involved in the deformation of either biopolymers or membranes. We infer these forces by reconciling the geometry of such deformation with simple mechanical models. In the first part of the thesis, we consider the attractive force between DNA molecules mediated by multivalent cations. This attraction is required to compensate DNA bending rigidity when packaging large quantities of DNA in comparatively small environments, such as the nuclei of sperm cells. In vitro, multivalent cations drive DNA condensation into dense toroidal bundles. Geometrical data on DNA toroidal bundles give access to the competition between inter-helical attraction and DNA bending rigidity. From these data, we infer inter-helical forces and argue that the toroid curvature weakens the adhesion between DNA molecules. In the second part of the thesis, we turn to the binding force of a membrane remodeling protein complex, ESCRT-III, to cellular membranes. ESCRT-III proteins assemble into membrane-remodeling polymers during many cellular processes, ranging from HIV budding to cytokinesis. The mechanism by which ESCRT-III polymers deform membranes is still unclear. In vitro, ESCRT-III polymers can reshape spherical membrane vesicles into helical tubes. We argue that helical tubes result from the peculiar positioning of membrane-binding sites on the surface of ESCRT-III polymers. Furthermore, we infer the binding force between ESCRT-III and membrane from the geometry of helical tubes.

Les cellules épithéliales forment un tissu de cellules étroitement juxtaposées qui assure une barrière physique et chimique entre les compartiments internes et externes du corps. L’intégrité de ces tissus est donc essentielle. Au cours du développement et de la vie adulte, le tissu doit grandir ou se régénérer, ce qui implique de nombreuses divisions cellulaires. La dernière étape de la division, la cytodiérèse, met en jeu la formation d’un anneau contractile qui, en se fermant, va séparer les cellules sœurs. Une fois complètement fermé, il donne naissance au midbody, juste sous le niveau des jonctions adhérentes, au sein des jonctions septées, chez la drosophile. L’ultime étape, l’abscission, permet la séparation physique définitive et l’isolation cytoplasmique des cellules sœurs. Si de nombreuses études ont décrit ces processus dans les cellules isolées, peu de choses sont connues quant à la cytodiérèse des cellules épithéliales. Ce travail de thèse a permis de mettre en évidence que malgré le recrutement de tous les effecteurs et régulateurs de l’abscission, celle-ci est retardée dans les cellules épithéliales. Des expériences de photo-conversion de KAEDE ont montré que l’abscission est liée à l’entrée en mitose des cellules épithéliales. La question de l’intégrité du tissu et notamment de la barrière de perméabilité a ensuite été investigué. Nous avons montré que les cellules voisines formaient des protrusions de membrane restant connectées au midbody tout au long de sa lente migration vers le pôle basal des cellules. Les expériences de FRAP menées sur les jonctions bicellulaires et tri-cellulaires des jonctions septées ont permis de montrer que celles-ci se formaient juste sous les jonctions adhérentes et toujours au-dessus du midbody, participant ainsi à la migration de ce dernier vers le pôle basal. Les contacts maintenus avec les voisines ainsi que l’assemblage polarisé des jonctions septées participent au maintien de l’intégrité du tissu au cours des divisions de cellules épithéliales. / Epithelial cells are closely juxtaposed to form a tissue playing a physical and chemical barrier between external and internal body compartments. Thus, tissue integrity is essential. During development and adult life, epithelia has to growth and regenerate meaning a lot of divisions. At the end of cell division, cytokinesis occurs, implying the formation of a contractile ring which contracts to separate daughter cells. In Drosophila, once totally closed, the contractile ring gives rise to the midbody, just below adherens junctions, in the septate junctions layer. Last step of cytokinesis, abscission, permits the final cut and the cytoplasmic isolation of daughter cells. If cytokinesis is well described in isolated cells, little is known about epithelial cells cytokinesis. This work shows that whereas all abscission regulators and effectors are recruited, abscission is delayed in epithelial cells. KAEDE photo-conversion assays show that abscission is linked to epithelial cells mitosis entry. Then we investigate how permeability barrier is maintained during cell division. We show that neighboring cells present finger-like protrusions contacting the midbody all along the midbody is moving basally across septate junctions. FRAP experiments on bicellular and tricellular septate junctions show that they form just below adherens junctions and always above the midbody, leading to its basal migration. Contacts maintained with neighbors and polarized assembly of septate junctions participate to the maintenance of tissue integrity throughout epithelial cells divisions.

La cellule remodèle sa membrane en permanence, ce qui entraîne la formation de tubes de membrane façonnés par des protéines. Nous étudions trois cas impliquant de tels tubes. Le premier est le polymère hélicoïdal de dynamine, qui enveloppe les tubes de membrane puis les coupe en hydrolysant le GTP. Nous montrons que le recrutement de la dynamine dépend de la courbure de la membrane. Nous formulons des hypothèses et proposons des expériences pour comprendre la nucléation du polymère de dynamine et ses interactions avec la membrane. Nous donnons une description hydrodynamique généralisée du changement de conformation coopératif de la dynamine induit par le GTP et réconcilions des résultats expérimentaux apparemment contradictoires par des arguments mécaniques. La dynamique aux temps longs de l'assemblage dynamine-membrane est diffusive et dominée par une friction effective entre dynamine et membrane, ce qui est confirmé expérimentalement. Notre second sujet est le complexe ESCRT-III, qui tubule les membranes planes de l'intérieur. Nous expliquons cette déformation par une instabilité de flambage inédite se produisant lorsque des filaments courbés qui s'attirent se lient à la membrane. Cette hypothèse peut être vérifiée expérimentalement. Un régime métastable pour la membrane plane est mis en évidence, et pourrait être utilisé par la cellule pour former des tubes rapidement. Troisièment, nous nous tournons vers les stéréocils, des protrusions cellulaires à base d'actine essentielles pour l'audition. Nous expliquons leur forme par la dynamique de détachement de protéines liant l'actine, et rendons compte de résultats expérimentaux. Si ces protéines sont autorisées à se réattacher, notre modèle prévoit une transition de phase dynamique vers un état de croissance non-bornée, et des simulations numériques suggèrent que la longueur des protrusions diverge en loi de puissance avec un exposant anormal.

La dernière étape de la cytocinèse, l'abscission, consiste en la coupure du pont intercellulaire reliant les deux cellules filles à la suite de la contraction de l'anneau acto-myosique. Comme toutes les étapes de la division cellulaire, l'abscission doit être régulée dans l'espace et dans le temps afin qu'elle intervienne au bon endroit et au bon moment. Mon travail de doctorat a porté sur l'étude de la régulation dans le temps de l'abscission par l'environnement des cellules filles, en particulier par les forces de traction exercées par les cellules sur le pont intercellulaire. En utilisant une combinaison d'approches permettant de contrôler le confinement spatial 2D des cellules filles, de mesurer les forces exercées par les cellules au cours de la cytocinèse et de micro-manipuler le pont intercellulaire, j'ai montré que, de façon contre-intuitive, une tension exercée au niveau du pont retardait l'abscission et qu'au contraire la relâche de cette tension induisait l'abscission. De plus, la régulation temporelle de l'abscission par les facteurs environnementaux des cellules filles implique les protéines des " Endosomal Sorting Complex Required for Transport III " (ESCRT-III), machinerie centrale de l'abscission. Enfin, des expériences préliminaires suggèrent que cette régulation serait importante pour le maintien de l'intégrité tissulaire et la morphogenèse au cours du développement.

Archaea is one of the three domains of life and studies of archaeal biology are important for understanding of life in extreme environments, fundamental biogeochemical processes, the origin of life, the eukaryotic cell and their own, unique biology. This thesis presents four studies of the archaeal cell, using the extremophilic Sulfolobus and ocean living Nitrosopumilus as model systems. Cell division in crenarchaea is shown to be carried out by a previously unknown system named Cdv (cell division). The system shares homology with the eukaryotic ESCRT-III system which is used for membrane reorganization during vesicle formation, viral release and cytokinesis. Organisms of the phylum Thaumarchaeota also use the Cdv system, despite also carrying genes for the euryarchaeal and bacterial cell division system FtsZ. The thaumarchaeal cell cycle is demonstrated to be dominated by the prereplicative and replicative stage, in contrasts to the crenarchaeal cell cycle where the cell at the majority of the time resides in the postreplicative stage. The replication rate is remarkably low and closer to what is measured for eukaryotes than other archaea. The gene organization of Sulfolobus is significantly associated with the three origins of replication. The surrounding regions are dense with genes of high importance for the organisms such as highly transcribed genes, genes with known function in fundamental cellular processes and conserved archaeal genes. The overall gene density is elevated and transposons are underrepresented. The archaeal virus SIRV2 displays a lytic life style where the host cell at the final stage of infection is disrupted for release of new virus particles. The remarkable pyramid-like structure VAP (virus associated pyramids), that is formed independently of the virus particle, is used for cell lysis. The research presented in this thesis describes unique features of the archaeal cell and influences our understanding of the entire tree of life.