Ce manuscrit de thèse est composé de trois parties dédiées aux développements technologiques nécessaires à l'étude de la polarité et des contraintes mécaniques dans les cellules épithéliales. La première partie décrit les développements technologiques et méthodologiques qui ont été réalisés en micro-fabrication et traitement de surface, acquisition et analyse d'image, et mesure des forces de traction. La deuxième partie décrit l'étude de l'organisation spatiale du système d'adhérence des cellules épithéliales. De la régulation de leur polarité à celle de leur fonction, l'architecture des cellules épithéliales est profondément liée à leur système d'adhérence. Nous avons utilisé les micropatrons adhésifs pour contrôler la géométrie de la matrice extra-cellulaire pour examiner l'effet de l'adhérence des cellules avec la matrice sur la position des zones d'adhérence intercellulaire. Nos résultats montrent que l'organisation spatiale de l'adhérence cellule-matrice joue un rôle déterminant sur celle de l'adhérence intercellulaire. Ils montrent également que cette organisation dirige ensuite la position du centrosome et l'orientation de l'ensemble de la polarité interne. Lors d'une réorganisation spatiale de l'épithélium, comme c'est le cas au cours de la transition épithélium-mésenchyme, les systèmes d'adhérence et la polarité interne subissent tous les deux de profondes modifications. Néanmoins, les cellules semblent capables de les réguler de façon indépendante selon le type de stimulus qui induit la réorganisation. La dernière partie est une analyse des paramètres physiques impliqués dans l'architecture épithéliale. En parallèle des régulations biochimiques, les contraintes mécaniques jouent également un rôle fondamental dans la régulation des processus morphogenétiques. L'association de l'ensemble de nos développements technologiques (patterning de substrat déformable, logiciel de détection et de mesure de force, contrôle du positionnement des cellules) nous a permis d'analyser précisément les propriétés mécaniques des architectures multicellulaires. Nous avons découvert que l'organisation spatiale du système adhérence était un régulateur majeur de l'intensité et de la répartition des forces intra-cellulaires. Cette observation nous a permis de proposer une modification du modèle actuel de distribution des contraintes dans un épithélium qui prend en compte l'anisotropie des forces inter-cellulaires en réponse à l'hétérogénéité de la matrice extra-cellulaire. Ce nouveau modèle physique permet de rendre compte des positions adoptées par les cellules en réponse aux différentes géométries de la matrice extra-cellulaire.

Ce manuscrit de thèse est composé de trois parties dédiées aux développements technologiques nécessaires à l'étude de la polarité et des contraintes mécaniques dans les cellules épithéliales. La première partie décrit les développements technologiques et méthodologiques qui ont été réalisés en micro-fabrication et traitement de surface, acquisition et analyse d'image, et mesure des forces de traction. La deuxième partie décrit l'étude de l'organisation spatiale du système d'adhérence des cellules épithéliales. De la régulation de leur polarité à celle de leur fonction, l'architecture des cellules épithéliales est profondément liée à leur système d'adhérence. Nous avons utilisé les micropatrons adhésifs pour contrôler la géométrie de la matrice extra-cellulaire pour examiner l'effet de l'adhérence des cellules avec la matrice sur la position des zones d'adhérence intercellulaire. Nos résultats montrent que l'organisation spatiale de l'adhérence cellule-matrice joue un rôle déterminant sur celle de l'adhérence intercellulaire. Ils montrent également que cette organisation dirige ensuite la position du centrosome et l'orientation de l'ensemble de la polarité interne. Lors d'une réorganisation spatiale de l'épithélium, comme c'est le cas au cours de la transition épithélium-mésenchyme, les systèmes d'adhérence et la polarité interne subissent tous les deux de profondes modifications. Néanmoins, les cellules semblent capables de les réguler de façon indépendante selon le type de stimulus qui induit la réorganisation. La dernière partie est une analyse des paramètres physiques impliqués dans l'architecture épithéliale. En parallèle des régulations biochimiques, les contraintes mécaniques jouent également un rôle fondamental dans la régulation des processus morphogenétiques. L'association de l'ensemble de nos développements technologiques (patterning de substrat déformable, logiciel de détection et de mesure de force, contrôle du positionnement des cellules) nous a permis d'analyser précisément les propriétés mécaniques des architectures multicellulaires. Nous avons découvert que l'organisation spatiale du système adhérence était un régulateur majeur de l'intensité et de la répartition des forces intra-cellulaires. Cette observation nous a permis de proposer une modification du modèle actuel de distribution des contraintes dans un épithélium qui prend en compte l'anisotropie des forces inter-cellulaires en réponse à l'hétérogénéité de la matrice extra-cellulaire. Ce nouveau modèle physique permet de rendre compte des positions adoptées par les cellules en réponse aux différentes géométries de la matrice extra-cellulaire. / This thesis dissertation is comprised of three major parts. The first part devotes to all the technological developments that have been realized in my thesis study. These developments in microfabrication, in image acquisition and analysis, and in the traction force analysis had solved various problems we have encountered during our study of epithelial architecture. The second part describes the study of the spatial organization of the adhesion systems in epithelia. From their polarity, their functioning, to their remodeling, the epithelial architecture is deeply linked with the adhesion systems. With the capability to well define the location of cell-matrix interaction, we examined how the intercellular adhesion was organized according to the cell-matrix adhesion. Our results highlighted the instructive role of cell-matrix adhesion in organizing the intercellular adhesion. This organization subsequently governed the internal polarity which was indicated by the centrosome positioning. During epithelial remodeling, both the adhesion system and internal polarity were subjected to modification. Nevertheless they could be regulated differently depending on the context of remodeling. The last part is focused on the physical aspect of the epithelial architecture. Apart from the biochemical signaling network, mechanical force is also a substantial ingredient in morphogenesis. Together with our techniques in micropatterning the soft gel, the development of software for traction force microscope, and our knowledge of cell-cell positioning, we were able to analyze precisely the mechanical property of the multicellular architecture. We found that the cellular contractility was modulated by the spatial organization of the adhesion system. It permitted us to complete the current physical model of epithelial geometry with an anisotropic term for contractility. This new physical model could effectively account for the cell positioning on various matrix geometries.

Les cellules dans la nature se développent dans un large éventail de formes, suivant divers modèles de croissance. Malgré l'importance de ces processus fondamentaux, la façon dont les cellules régulent leur croissance et leur morphogenèse est encore mal comprise. Dans cette thèse, j'ai exploré ces aspects, avec une approche principalement biomécanique, en concentrant mes investigations sur des cellules à paroi à croissance de pointe et en exploitant en particulier la levure fissipare Schyzosaccharomyces pombe. J'ai d'abord développé de nouvelles méthodes pour mesurer les paramètres mécaniques clés de la paroi cellulaire in vivo et à grande échelle, ce qui a permis les premières observations de la dynamique des parois cellulaires. Ceci a révélé que la paroi cellulaire est plus souple et très variable au niveau des pôles de croissance, et presque stable et plus rigide dans les sites non cultivés. Au cours de l'allongement, il existe une interaction entre la mécanique des parois et la croissance cellulaire, dont le contrôle actif permet l'expansion cellulaire tout en préservant l'intégrité des cellules. De plus, j'ai observé qu'il existe une forte corrélation entre la mécanique des parois cellulaires et la morphologie cellulaire, et des perturbations des propriétés de la paroi affectent directement l'établissement et la maintenance de la forme. Ensemble, mes résultats montrent que la régulation de la paroi est fondamentale dans la détermination de la dynamique cellulaire dans les cellules à parois épaissies. Globalement, cela suggère que l'observation dynamique de la mécanique de surface cellulaire est essentielle pour une compréhension complète des processus multifactoriels et complexes comme la croissance et la morphogenèse. / Cells in nature develop in a wide range of forms, following diverse growth patterns. Despite the importance of these fundamental processes, how cells regulate their growth and morphogenesis is still poorly understood. In this thesis, I explored these processes, focusing my investigations on tip growing walled cells and in particular, by exploiting the fission yeast Schyzosaccharomyces pombe, adopting a mainly biomechanical approach. To this aim, I first developed novel methods to measure key cell wall mechanical parameters in vivo and in large scale, which allowed the very first observations of cell wall dynamics. This revealed that the cell wall is softer and highly variable at growing poles, and almost stable and stiffer at non-growing sites. During elongation, there is an interplay between wall mechanics and cell growth, whose active control allows cell expansion while preserving cell integrity. In addition, I observed that there is a strong correlation between cell wall mechanics and cell morphology, and ectopic perturbations of wall properties directly affect shape establishment and maintenance. Together my results show that the regulation of wall mechanics is fundamental in the determination of cell dynamics in tip growing walled cells. Moreover, this suggests that dynamic observation of cell surface mechanics is crucial for a complete understanding of multifactorial and complex processes as growth and morphogenesis.