Les travaux effectués au cours de cette thèse et présentés dans ce manuscrit consistent en l'utilisation de micro-patrons adhésifs pour l'étude de l'organisation spatiale des organites intracellulaires. Nous avions comme modèle de travail la compartimentation et la polarisation des cellules au sein des tissus. Dans cette situation, les cellules n'adhèrent pas de façon homogène et isotrope à leur environnement. Au contraire, elles s'attachent à leur voisines et à la matrice extracellulaire, en des endroits particuliers, grâce à des complexes transmembranaires, les adhésions. Ces adhésions sont une des bases structurales de la construction du cytosquelette. Leur distribution spatiale peut être anisotrope, et parfois asymétrique, ce qui guide la polarité intrinsèque des cellules. <br />Nous avons utilisé la technique d'impression par micro-contact pour manipuler la forme des cellules et la distribution de leurs adhésions. Les cellules adoptent l'enveloppe convexe du patron adhésif quelle que soit sa géométrie. Si, par exemple, les cellules sont contraintes de s'attacher à un T ou un V, sans pouvoir établir de contact en dehors de ce patron, elles adopteront dans les deux cas la même forme triangulaire. Nous avons utilisé cette propriété pour imposer aux cellules des formes identiques sur des patrons adhésifs différents afin d'analyser le rôle spécifique de la distribution des adhésions sur l'organisation du cytosquelette et des compartiments intracellulaires.<br /> Nos mesures montrent que les cellules développent des tensions élevées dans les filaments d'actine, assemblés en fibres de stress, au-dessus des zones non adhésives. Sur les zones adhésives, la tension est plus faible, et la polymérisation de l'actine en un réseau branché induit la formation de protrusions membranaires. La localisation des protrusions est donc complémentaire de celle des zones contractiles.<br />Cette polarisation du système actine dirige le recrutement de certaines protéines dont l'activité influence la dynamique des microtubules. La croissance des microtubules en contact avec le cortex cellulaire est modulée différemment selon que l'actine forme des fibres de stress ou un réseau branché. Cependant, quel que soit le comportement des extrémités du réseau de microtubules à la périphérie, le centre du réseau, le centrosome, se maintient toujours au centre de la cellule. Le noyau est exclu de ce centre et se positionne vers les zones de contraction. Ainsi, à l'intérieur de la cellule, l'orientation de l'axe noyau-centrosome répond à l'asymétrie établie en périphérie.<br />La polarité du cortex est conservée pendant la division cellulaire ou mitose. Le corps cellulaire, qui s'est arrondi à l'entrée en mitose, est maintenu en contact avec le substrat adhésif par des fibres de rétraction riches en actine. Les mesures expérimentales de l'orientation des divisions, sur différents patrons adhésifs, révèlent que la distribution spatiale des ancrages de ces fibres sur la cellule guide l'orientation du fuseau mitotique, et par conséquent, le plan de division des cellules. En effet, les pôles du fuseau se positionnent en face des zones corticales où sont arrimées les fibres de rétraction, indépendamment de la forme qu'avait la cellule avant l'entrée en mitose. <br /> Il existe des moteurs moléculaires ancrés dans le cortex des cellules et capables de tirer sur les microtubules astraux émanant des pôles du fuseau. En faisant l'hypothèse que ces moteurs ne sont activés que dans les zones où se situent les fibres de rétraction, on peut établir un modèle physique permettant de rendre compte de toutes les observations expérimentales effectuées.

Les travaux présentés se sont intéressés à la régulation des forces produites par le cytosquelette d'actine. Le rôle primordial joué par le microenvironnement a été au centre de nos investigations. L'étude de ces phénomènes a nécessité le développement de techniques innovantes. La première permet le contrôle en temps réel de la forme de la cellule. Elle utilise un laser UV pulsé pour modifier le microenvironnement adhésif de la cellule et contrôler les zones disponibles pour son étalement. La seconde est une amélioration d'une technique existante au sein du laboratoire. Il s'agit de produire des îlots de protéines d'adhésions, de forme contrôlée, sur un substrat déformable d'acrylamide. Ces supports permettent le contrôle de la taille de la cellule et de son organisation interne. En outre, l'élasticité de l'acrylamide permet la mesure des forces générées par la cellule. La dernière technique a combiné le patterning sur acrylamide avec l'ablation laser. Les forces produites au sein d'une structure particulière du cytosquelette ont ainsi pu être estimées. Deux grands mécanismes de régulation des forces ont pu être mis en évidence. L'utilisation de techniques de spectrométrie de masse, de mesure de forces et de biologie moléculaire a permis de mettre en évidence la coopération entre les différents types d'intégrines au niveau de l'adhésion cellulaire. Cette coopération permet un couplage entre l'architecture du cytosquelette et la quantité de moteurs moléculaires mettant en tension ces structures. Ces mécanismes sont primordiaux pour l'adaptation de la cellule à la rigidité de son environnement. Ce sont les structures d'actine qui produisent les forces qui seront transmises au niveau des adhésions. La corrélation entre la taille de ces structures et les forces générées est encore mal caractérisée. La relation entre taille des fibres de stress et répartition des forces au sein de la cellule a pu être étudiée et suggère que la force produite par une fibre de stress augmente avec sa longueur. Une étude systématique de la contractilité des cellules, sur des patterns de différentes tailles, a permis de montrer la relation entre la taille des fibres de stress et la force générée. Une relation biphasique a ainsi été mise en évidence. Quand la taille de la cellule augmente, la force générée au sein des fibres de stress commence par augmenter avant de diminuer au delà d'une longueur critique. Cette longueur correspond également à la taille maximale observée sur des cellules libres de s'étaler sans contraintes. Les résultats obtenus suggèrent que cette chute de force est liée à une augmentation excessive du ratio myosine/actine qui ne permet plus une production de force efficace. Le mécanisme pourrait faire intervenir le désassemblage des structures d'actine par la myosine ou la quantité insuffisante d'actine pour permettre un travail efficace des moteurs moléculaires. La rencontre de ces deux mécanismes permet de définir le champ des possibles pour la cellule en terme de contractilité. Le mécanisme de chute de forces observé n'a pas pu être expliqué à ce jour mais nous travaillons activement pour qu'il le soit dans les mois à venir. Ce phénomène aura sans doute un grand rôle à jouer dans l'intégrité mécanique des tissus et les phénomènes de migration. La chute de force au delà de la longueur critique permet en effet de déstabiliser les adhésions et pourrait être à l'origine de la rétraction de la cellule dans la migration ou du détachement d'une cellule de ces voisines dans le cas d'un tissu sous forte contraintes. Ce détachement protégerait ainsi la cellule d'un déchirement sous l'effet de forces trop importantes. / Our work has been focused on the regulation of the forces generated by the actin cytoskeleton. We have more precisely studied the role of the cellular microenvironment in this process. It was necessary to overcome some technical challenges to study these mechanisms. We developed two new techniques. The first one allows for the dynamic control of cell shape. A pulsed UV laser is used to modify the adhesive microenvironment around the cell and to create new area available for cell spreading. The second technique is an improvement of an existing technique from the laboratory. It consists in producing ECM protein islands on a elastic acrylamide substrate. This substrate provides the control of cell shape and internal organization. Plus, the elasticity of the substrate is compatible with traction forces measurements. The last technique combines acrylamide micropatterning and laser ablation of intracellular actin structures. Thus, the forces produced by a particular intracellular structure can be estimated. Two keys mechanisms of force regulation were shown. The use of mass spectrometry, traction force microscopy and molecular biology made it possible to study the interaction between different integrins in the adhesion complex. Cooperation was shown. It allows for the coupling between the architecture of the cytoskeleton and the amount of molecular motors in action. This process is necessary for the adaptation of cell forces to substrate stiffness. Actin structures are the one responsible for force production. This force can then be transmitted to the environment through adhesions.. The link between the length of actin fibers and the force produced was more precisely studied. The results showed a correlation between stress fibers length and the force generated inside it. This was true only above a certain critical value. After that, the force was rather decreasing with increasing fiber length. This critical length corresponds to the maximal length of cell axis on infinite 2D substrate. Our main hypothesis is that a too high myosin/actin ratio will block the proper force production/transmission within the fiber. Disassembly of actin by myosin or limited pool of actin are the two explanations we are currently following. The combination of these two-regulation process put brakes on force production by the cell. Above a certain length, the force produced is decreasing. This decreases in turn the strength of the adhesions anchored to these fibers. This will destabilize the adhesions and causes cell retraction The interplay between the regulation by the adhesion and the production of forces within the fiber set some limits on the level of forces produced by the cell. These processes are likely to be modified in a pathological context and can lead to tumor formation. They also protect the cell from being destroyed by stretching. If the length/stretch is too high, the cell will decrease its forces and detach from neighboring cells. This provide a system protecting the cell from being destroyed by massive deformations within the body