Le cytosquelette est un assemblage de protéines intracellulaires qui assure le maintien de la forme des cellules et la production de force. Ce cytosquelette est formé de trois types de polymères, dont les filaments d'actine qui sont impliqués dans des fonctions essentielles telles que la motilité cellulaire, la division cellulaire ou encore la morphogénèse. Les filaments d'actine s'agencent en structures organisées dont la dynamique est assurée par la polymérisation et le désassemblage des filaments, contrôlés spatio-temporellement. La plupart des structures d'actine sont dans un état stationnaire dynamique où l'assemblage est compensé par le désassemblage, ce qui permet de maintenir une concentration de monomères intracellulaire élevée. En effet, le réservoir d'actine in vivo est limité et la formation de nouvelles structures de filaments d'actine est dépendante d'un désassemblage efficace des structures les plus âgées. Le but de ma thèse a été d'étudier comment l'organisation architecturale des structures d'actine influence le désassemblage par la machinerie protéique composée de l'ADF/cofiline et d'un de ses cofacteurs Aip1.J'ai d'abord pu montrer que l'efficacité du désassemblage dépendait de l'agencement des filaments d'actine. Quand les réseaux branchés ne requièrent que l'action de l'ADF/cofiline pour être désassemblés efficacement, les faisceaux de filaments d'actine ont besoin de la présence simultanée de l'ADF/cofiline et de l'Aip1. Une étude à l'échelle moléculaire a ensuite été menée pour comprendre le mécanisme du désassemblage des filaments d'actine par ces deux protéines au niveau du filament individuel.Dans un second temps, j'ai développé un système expérimental composé de micropuits de taille comparable à la cellule. Cette technologie nous a permis de réaliser des expériences en milieu confiné, dans lequel le réservoir d'actine était limité de la même manière que le réservoir d'actine cellulaire. J'ai mis ce système a profit pour reconstituer le turnover d'une comète d'actine, un réseau branché formé à la surface d'une bille recouverte de nucléateurs de l'actine.Ce travail de thèse a permis d’établir des lois fondamentales contrôlant la dynamique de l’actine et plus particulièrement comment l’architecture de l’actine et l’environnement peuvent influencer le désassemblage de structures complexes. / The actin cytoskeleton is a major component of the internal architecture of eukaryotic cells. Actin filaments are organized into different structures, the dynamics of which is spatially and temporally controlled by the polymerization and disassembly of filaments. Most actin structures are in a dynamic steady state regime where the assembly is balanced by the disassembly, which maintains a high concentration of intracellular actin monomers. In vivo the pool of actin monomers is limited and the formation of new actin filament structures is dependent on an effective disassembly of the older structures. The goal of my thesis was to study the influence of different architectures of actin by the disassembly machinery made of ADF/cofilin and its cofactor Aip1.Firstly, I showed that the efficiency of the disassembly was dependent on the architecture of actin filaments organizations. Although the branched networks need only ADF/cofilin to be efficiently disassembled, the actin cables require the simultaneous action of ADF/cofilin and Aip1. Further investigations at the molecular scale indicate that the cooperation between ADF/cofilin and Aip1 is optimal above a certain threshold of molecules of ADF/cofilin bound to actin filaments. During my PhD I demonstrated that although ADF/cofilin is able to dismantle selectively branched networks through severing and debranching, the stochastic disassembly of actin filaments by ADF/cofilin and Aip1 represents an efficient alternative pathway for the full disassembly of all actin networks. We propose a model in which the binding of ADF/cofilin is required to trigger a structural change of the actin filaments, as a prerequisite for their disassembly by Aip1.Secondly, I developed an experimental system made of cell-sized microwells. This technology allowed us to develop experiments in a closed environment in which the actin pool is limited in the same way as the cellular environment. I used this experimental system to study how a limited pool of components limits both the assembly and the disassembly of a branched network.This thesis highlights the importance of developing new tools to obtain more “physiological” reconstituted systems in vitro to establish some of the general principles governing actin dynamics.

L'ingénierie tissulaire vise à réparer les tissus endommagés et à récupérer les fonctions biologiques correspondantes. Afin de restaurer un tissu endommagé tel que le système nerveux, la conception et la fabrication de nouveaux types d’échafaudages tissulaires sont nécessaires. Dans ce travail, nous avons développé plusieurs techniques de microfabrication pour le polyfluorure de vinylidène (PVDF), un fluoropolymère thermoplastique, non réactif et piézoélectrique, qui peut être utilisé pour la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire. Nous avons tout d'abord étudié l'adhésion et la croissance cellulaire sur des substrats en PVDF avec des motifs micro et nanométriques en utilisant différentes techniques de fabrication telles que la micro-photolithographie, la lithographie douce, l’impression par microcontact, etc. L'influence de la micro-structuration sur les activités piézo-électriques du PVDF a été caractérisée par différentes méthodes d'analyses de surface (FTIR, XRD). Par la suite, nous avons effectué une étude systématique sur la fabrication de nanofibres de PVDF et leur compatibilité avec la culture cellulaire. Enfin, nous avons démontré la possibilité de doper ces nanofibres avec des nanoparticules magnétiques ce qui les rends excitables à distance par un champ magnétique / Tissue engineering aims at repairing damaged tissues and recovering the lost or degraded biological functions with artificial scaffolds. In order to meet the requirement for more complex functionality such as peripheral nerve reconstruction, new types of scaffold materials are needed. In this work, we developed several micro- and nanofabrication techniques to pattern polyvinylidene fluoride (PVDF), a highly non-reactive, piezoelectric, thermoplastic fluoropolymer, which can serve as new constituents for advanced tissue engineering. We first studied the feasibility of PVDF patterning using conventional photolithography, soft lithography and microcontact printing. The fabricated patterns were systematically characterized by surface analysis techniques (FTIR, XRD) and used for cell culture studies. Then, we developed a study on electrospinning of PVDF nanofibers. Our results showed that the fabricated PVDF nanofibers were compatible with cell-based assays. Finally, we doped electrospun PVDF nanofibers with magnetic nanoparticles, which should make them excitable with a remote magnetic field

Pendant la régénération musculaire, les cellules souches musculaires (dites satellites) prolifèrent de manière symétrique et asymétrique. La ségrégation non aléatoire des brins d'ADN est un mécanisme associé à la division asymétrique, souvent en lien avec des destins cellulaires distincts. Quand ce phénomène apparaît et comment il est régulé durant la régénération musculaire sont des points clés sur lesquels je me suis focalisée durant ma thèse. Afin d'étudier le rôle de signaux extracellulaires dans les décisions du type de division, nous avons utilisé des micropatrons de motifs symétrique et asymétrique recouverts de matrice extracellulaire. Nous avons alors montré que les fréquences de divisions asymétriques peuvent être modulées selon la forme du motif. En outre, nous décrivons une fenêtre de temps in vivo au cours de la régénération musculaire où une sous population de cellules satellites peut passer d'une division symétrique à asymétrique. Une analyse transcriptionnelle de ces cellules a permis d'identifier des gènes candidats potentiellement impliqués dans la régulation de cette transition. Nous avons testé l'effet de quelques protéines associées à ces gènes incorporées dans des niches artificielles 2D. Des données préliminaires suggérèrent que des signaux extrinsèques (protéine de la matrice extracellulaire et rigidité du substrat) combinés à une signalisation intracellulaire peuvent réguler la balance entre prolifération et différentiation. L'ensemble de ces données de thèse montre l'importance d'un dialogue entre le microenvironnement et les signaux intracellulaires dans la régulation du comportement des cellules souches. / During muscle regeneration, muscle stem (satellite) cells proliferate symmetrically and asymmetrically. Non-random segregation of old and new template DNA strands (NRDS) is one mechanism associated with an asymmetric cell division, and this is often linked with distinct daughter cell fates. How this frequency is modulated and when during tissue remodelling are key questions that are the focus of my thesis project. To address the role of extrinsic cues in NRDS and cell fate decisions, we used micropatterns coated with extracellular matrix and designed with symmetric and asymmetric topological motifs. We show that the frequency of NRDS and transcription factors asymmetry (Pax7, stem; Myogenin, differentiated) can be modulated depending on the topology of the adhesion cues of the micropattern. Moreover, we show that a temporal switch occurs in vivo during early muscle regeneration from symmetric to asymmetric DNA segregation in a subpopulation of satellite cells. Gene expression profiling of symmetrically and asymmetrically dividing cells allowed the identification of candidate regulators that might impinge on this regulatory transition. Some candidate genes were assayed in a high throughput screen that was on 2D artificial stem-cell niches. Preliminary data show that extrinsic cues (ECM protein and substrate stiffness) combined with signalling pathways can regulate the balance between proliferation and differentiation in a context dependent manner. Taken together, this thesis project shows that the interplay between microenvironment and intracellular signalling impacts on the regulation of stem cell behaviour.

La division cellulaire est essentielle pour la survie de chaque être vivant. Au cours de ce processus, les chromosomes de la cellule en division sont transmis aux deux cellules filles. La répartition des chromosomes est orchestrée par une structure cellulaire transitoire appelée fuseau mitotique (ou fuseau méiotique dans les cellules reproductrices). Le fuseau est composé de microtubules, de nombreuses protéines et de moteurs moléculaires, qui interagissent de manière complexe et précise aboutissant à l’organisation d’une structure bipolaire dynamique. Comme certains mécanismes moléculaires restent mal compris, nous avons choisi d'aborder la question de l'assemblage du fuseau méiotique dans des extraits d'oeufs de grenouille. Xenopus laevis est un organisme modèle car il est proche, d’un aspect phylogénétique, de l'homme, et il est particulièrement adapté à l’étude de la division cellulaire. Nous avons également utilisé une méthode in vitro (appelée spindle array ou puce à fuseaux) qui a été développée au sein du groupe de recherche auparavant, et qui offre certains avantages par rapport aux approches existantes. Une puce à fuseaux est composée de billes recouvertes de chromatine immobilisées selon des micro-motifs géométriques obtenus selon une technique d’impression par microcontact. L'assemblage des fuseaux méiotiques a été visualisé par microscopie confocale à fluorescence. Grâce à ces outils, nous avons, lors d’un premier projet, abordé le rôle de l’Augmin dans l'assemblage des fuseaux. L’Augmin est un complexe protéique récemment identifié grâce à son hypothétique rôle dans la nucléation de microtubules à partir de microtubules existants. Après déplétion de l’Augmin, nous avons constaté que la nucléation des microtubules était réduite et que les fuseaux avaient une morphologie anormale. De plus, ces derniers qui étaient essentiellement multipolaires sont progressivement devenus bipolaires grâce à une voie de nucléation des microtubules, découverte lors de notre étude, émanant des pôles acentrosomaux et qui est indépendante de l’Augmin. Nos résultats révèlent que l’Augmin est essentiel pour l’assemblage et la bipolarité du fuseau acentrosomal. Au cours d’un second projet, nous avons étudié les fonctions des chromokinésines kinésine-4 (Xklp1) et kinésine-10 (Xkid) dans l'assemblage des fuseaux et leurs mouvements. Xkid participe à la force d’éjection polaire nécessaire à la congression des chromosomes alors que Xklp1 contribue principalement à la régulation de la dynamique des microtubules. En étudiant l'assemblage de fuseaux dans des extraits après déplétion de Xkid, Xklp1 ou les deux, nous avons démontré que Xkid limite la dynamique des mouvements longitudinaux des fuseaux, contribue à la mise en place de la bipolarité et régule la longueur des fuseaux. Nous avons également quantifié la cinétique de nucléation des microtubules et confirmé le rôle de Xklp1 dans la régulation de la dynamique des microtubules. L’ensemble de nos travaux contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes d’assemblage du fuseau méiotique et confirme la pertinence de notre méthode pour l'étude de sa morphogenèse. / Cell division is essential for the survival of every living organism. During this process, the chromosomes of the dividing cell are transmitted to the two daughter cells. The partition of the chromosomes is orchestrated by a transient sub-cellular structure called the mitotic spindle (or meiotic spindle in gamete cells). The spindle is composed of microtubules, numerous proteins and molecular motors, which interact in an intricate and yet precise manner leading to a highly dynamic and complexstructure. As some molecular mechanisms remain elusive, we have chosen to address the question of meiotic spindle assembly in Xenopus egg extracts. Xenopus laevis is a model system that is evolutionary close to human, and suitable for cell division studies. We have combined this with an in vitro assay - spindle array - which we developed prior to this work, and which provides advantages over existing approaches. A spindle array is composed of chromatin-coated beads that are immobilized according to geometrical patterns obtained by microcontact printing. The assembly of meiotic spindles wasvisualized by time-lapse fluorescence confocal microscopy. Using these tools, we first addressed the role of augmin in the assembly of meiotic spindles. Augmin is a recently identified protein complex that has been hypothesized to induce microtubule nucleation from the side of preexisting microtubules. By depleting augmin, we found that microtubule nucleationwas reduced and that spindles were morphologically impaired. Spindles were predominantly multipolar but finally reached bipolarity as a result of a newly uncovered augmin-independent microtubule nucleation pathway from acentrosomal poles. Our results thus reveal that augmin is essential for the proper establishment of the microtubule scaffolding and the bipolarity ofacentrosomal spindles. Secondly, we investigated the functions of the chromokinesins kinesin-4 (Xklp1) and kinesin-10 (Xkid)in acentrosomal spindle architecture and motions. Xkid plays a major role in the polar ejection forces leading chromosome movements during congression while the main function of XKlp1 is to regulate microtubule dynamics. We studied spindle assembly in depleted extracts and we report that Xkid limits the dynamics of spindle longitudinal movements, contributes to spindle bipolarity and affects spindle length while XKlp1 controls the spindle microtubule mass. Altogether these findings contribute to a better understanding of meiotic spindle assembly and confirm the pertinence of our method to study spindle morphogenesis.

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