Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Au sein d'un tissu épithélial la division cellulaire doit être couplée à la formation de nouvelles jonctions intercellulaires entre les futures cellules-filles, afin de préserver l'intégrité du tissu et maintenir son adhésion et polarité. Chez les vertébrés et les invertébrés, lors de la constriction de l'anneau contractile les jonctions assemblées entre la cellule en division et ses voisines est remodelé. Concomitamment, la myosine non-musculaire II (MyoII) s'accumule dans les cellules voisines y produit la force nécessaire pour juxtaposer les membranes de la cellule en division, définissant ainsi la longueur de la future jonction formée entre les cellules-filles. Dans le cadre de mes travaux de doctorat, j'ai cherché à comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents au dialogue entre les cellules épithéliales pendant la division. J'ai montré que chaque division cellulaire est associée à un processus de mécano-transduction qui contrôle la dynamique de la MyoII dans les cellules voisines. Les forces produites par l'anneau contractile allongent localement la membrane des voisines diluant ainsi la concentration d'E-Cadhérine (E-Cad). En retour, cette réduction locale d'E-Cad, couplée à la contractilité intrinsèque des cellules voisines, génère des flux auto-organisés d'actine et myosine, qui conduisent à l'accumulation de MyoII dans les cellules voisines. En montrant que la cytocinèse épithéliale est une source endogène de contraintes mécaniques, mon travail définit un nouveau mécanisme de mécano-transduction qui coordonne les dynamiques d'actine et myosine dans les cellules en division et leurs voisines, et qui est permet de plus le remodelage des jonctions adhérentes. / During epithelial cytokinesis, the remodelling of adhesive cell-cell contacts between the dividing cell and its neighbours has profound roles in the integrity, the arrangement and morphogenesis of proliferative tissues. In both vertebrates and invertebrates, this remodelling requires the activity of non-muscle Myosin II (MyoII) in the interphasic cells neighbouring the dividing cells. However, the mechanisms coordinating cytokinesis and MyoII activity in the neighbours are unknown. Here, we found that, in the Drosophila notum epithelium, each cell division is associated with a mechano-sensing and transmission event controlling MyoII dynamics in the neighbours. We established that the ring pulling forces promote local junction elongation, resulting in a decrease of E-Cadherin (E-Cad) concentration at the ingressing adherens junction (AJ). In turn, the local reduction of E-Cad concentration and the contractility of the neighbouring cells promote self-organized actomyosin flows, ultimately leading to MyoII accumulation at the base of the ingressing AJ. While mechano-sensing has been extensively studied in the context of AJ reinforcement to stabilize the adhesive cell-cell contacts, we propose an alternative mechano-sensing mechanism able to coordinate actomyosin dynamics between epithelial cells and to sustain AJ remodelling in response to mechanical forces.

Le muscle squelettique adulte est un tissu possédant la capacité fondamentale d’adapter sa taille à la demande fonctionnelle : il peut s’atrophier ou s’hypertrophier en réponse à une variation de la charge mécanique qui lui est appliquée. A l’heure actuelle, les facteurs impliqués dans la plasticité musculaire demeurent méconnus. D’une part, grâce à différents modèles d’atrophie musculaire, nous démontrons que le facteur de transcription Srf joue le rôle de médiateur de la mécano-transduction par la voie actine/Mrtfs/Srf. L’arrêt de l’activité mécanique provoque une accumulation nucléaire d’actine monomérique, une délocalisation de Mrtf-A, coactivateur de Srf, et une diminution de l’activité de Srf, se traduisant notamment par une baisse de la transcription Srf-dépendante. Les gènes cibles de Srf comptant un grand nombre de protéines sarcomériques, telles que l’α-actine squelettique, la réduction de leur expression pourrait participer à l’atrophie musculaire. De plus, nos travaux suggèrent que la diminution de l’activité de Srf pourrait influencer l’organisation du réseau mitochondrial et le flux autophagique par des mécanismes qui restent à élucider. D’autre part, en tirant parti d’un modèle d’invalidation conditionnelle et inductible de Srf dans les cellules satellites, nous montrons que le phénomène d’hypertrophie compensatoire requiert l’expression de Srf par les cellules satellites. L’absence de Srf n’altère ni la prolifération ni l’entrée en différenciation des myoblastes, néanmoins elle provoque un défaut de fusion des myoblastes aux fibres au cours de l’hypertrophie induite par surcharge. Ainsi, nos travaux démontrent que Srf est un acteur majeur de la plasticité musculaire, à la fois en tant que médiateur de la mécano-transduction par la voie actine/Mrtfs/Srf et par son implication dans la fusion des cellules satellites aux fibres musculaires, nécessaire à l’hypertrophie compensatoire. / Adult skeletal muscle is able to adapt its size to functional demand. It can undergo atrophy or hypertrophy according to mechanical load. To date, the molecules that mediate muscle plasticity remain unclear.Using different models inducing muscle atrophy, we show that the transcription factor Srf is a mediator of mechanotransduction through the actin/Mrtfs/Srf pathway. Mechanical load abolition leads to G-actin nuclear accumulation, delocalization of Mrtf-A, an Srf coactivator, and Srf activity downregulation. This results in a decrease in Srf-dependent transcription. Many Srf target genes encode sarcomeric proteins such as α-skeletal actin, thus a downregulation of Srf-dependent transcription could participate to muscle atrophy. In addition, our results suggest that Srf activity decrease could affect mitochondrial network organization and autophagic flux in a way that remains to be determined. Besides, using a satellite cell-specific conditional and inducible Srf knockout, we show that overload hypertrophy requires Srf expression by satellite cells. Myoblasts proliferation and early differentiation are not altered by Srf loss. However, mutant myoblasts are unable to fuse with myofibers during overload hypertrophy. Altogether, our results demonstrate that Srf is an important player in skeletal muscle plasticity: it is a mediator of mechanotransduction via the actin/Mrtfs/Srf pathway and its expression by satellite cells is required for myoblasts to fuse with myofibers during overload hypertrophy.

Le muscle squelettique adulte est un tissu possédant la capacité fondamentale d'adapter sa taille à la demande fonctionnelle : il peut s'atrophier ou s'hypertrophier en réponse à une variation de la charge mécanique qui lui est appliquée. A l'heure actuelle, les facteurs impliqués dans la plasticité musculaire demeurent méconnus. D'une part, grâce à différents modèles d'atrophie musculaire, nous démontrons que le facteur de transcription Srf joue le rôle de médiateur de la mécano-transduction par la voie actine/Mrtfs/Srf. L'arrêt de l'activité mécanique provoque une accumulation nucléaire d'actine monomérique, une délocalisation de Mrtf-A, coactivateur de Srf, et une diminution de l'activité de Srf, se traduisant notamment par une baisse de la transcription Srf-dépendante. Les gènes cibles de Srf comptant un grand nombre de protéines sarcomériques, telles que l'α-actine squelettique, la réduction de leur expression pourrait participer à l'atrophie musculaire. De plus, nos travaux suggèrent que la diminution de l'activité de Srf pourrait influencer l'organisation du réseau mitochondrial et le flux autophagique par des mécanismes qui restent à élucider. D'autre part, en tirant parti d'un modèle d'invalidation conditionnelle et inductible de Srf dans les cellules satellites, nous montrons que le phénomène d'hypertrophie compensatoire requiert l'expression de Srf par les cellules satellites. L'absence de Srf n'altère ni la prolifération ni l'entrée en différenciation des myoblastes, néanmoins elle provoque un défaut de fusion des myoblastes aux fibres au cours de l'hypertrophie induite par surcharge. Ainsi, nos travaux démontrent que Srf est un acteur majeur de la plasticité musculaire, à la fois en tant que médiateur de la mécano-transduction par la voie actine/Mrtfs/Srf et par son implication dans la fusion des cellules satellites aux fibres musculaires, nécessaire à l'hypertrophie compensatoire.

Depuis plusieurs années, une nouvelle génération de matériaux appelés “matériaux intelligents” et définis par leur capacité d’adaptation à leur environnement, est intensément développée. Des systèmes sensibles à différents stimuli tels que le pH, la lumière, ou encore une force mécanique, impliquée dans un grand nombre de processus naturels, comme l’adhésion et la prolifération cellulaire, ont été rapportés. Ce travail de thèse a ainsi été dédié au développement de matériaux mécano-sensibles. Plus précisément de matériaux transformant une contrainte mécanique en un signal chimique, en mimant le processus physique utilisé par la nature, à savoir des changements conformationnels de protéines. Nous avons donc cherché à atteindre ce but en greffant covalemment des protéines ou des enzymes sur un substrat élastomère. Etirer le substrat devant induire des modifications de structure des protéines, conduisant ainsi à des modulations de leurs propriétés. / Since many years, a new generation of materials called « smart materials » and defined by their capacity to adapt to their environment is intensively developed. Systems sensitive to different stimuli such as pH, light or ionic strength have been reported. One of these stimuli can also be a mechanical force which is involved in many reactions in nature such as, cells adhesion and proliferation, tissues growing or even plants developments. The aim of my thesis was dedicated to the elaboration of mechano-responsive materials. More precisely, materials that transform a stretching constraint into a chemical signal by mimicking the physical processes used by nature, namely protein conformational changes. We planned to achieve this goal by covalently grafting proteins or enzymes onto a stretchable substrate or incorporating them into cross-linked polymer networks. Stretching these materials should induce protein conformational changes leading to modifications of their properties.

Le fascinant processus par lequel les signaux mécaniques sont transformés en réactions biochimiques dans la nature est appelé mécano-transduction. Le but de ma thèse a été de mimer la Nature en élaborant de nouveaux systèmes enzymatiques mécano-transductifs, i.e des matériaux capables de moduler une catalyse enzymatique lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement. Nous avons d’abord étudié l’effet de l’étirement sur les chaînes constitutives de films multicouches de polyélectrolytes, matrices souvent utilisées pour le développement de biomatériaux intelligents. Dans le cadre d’une nouvelle stratégie axée sur la modulation mécanique de la conformation, nous avons ensuite élaboré des matrices étirables à base de poly(éthylène glycol)s. Nous avons en particulier développé de tout nouveaux revêtements covalents appelés nanogels qui se sont avérés être déposables sur le silicone étirable et fonctionnalisables avec différentes biomacromolécules, ouvrant ainsi de nouvelles routes biomimétiques. / The fascinating process by which mechanical signals are transformed into biochemical reactions in Nature is called mechanotransduction. The goal of my PhD was to mimic Nature by elaborating new types of mechanocatalytic materials, i.e materials able to modulate a catalytic activity when mechanically stimulated. We first aimed at understanding the impact of stretching on the structural properties of polyelectrolyte multilayers films, polymeric matrices often used for the design of smart biomaterials. Within the framework of a new strategy essentially relying on mechanically induced conformational changes, we then developed stretchable polymeric matrices based on poly(ethylene glycol)s. We more particularly designed new types of covalent coatings, called nanogels. We showed that these architectures were buildable on stretchable silicone and that they could be functionalized with different types of biomacromolecules; thus opening new biomimetic routes.