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

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

Le mécanisme d’homéostasie de taille chez les cellules animales est très peu compris actuellement. Cette question est pourtant d’un intérêt majeur car le maintien de l’homéostasie de taille dans une population de cellules prolifératives doit se faire par une coordination entre la croissance et la division. Chez la levure S. pombe, il a ainsi été montré que la taille est une information cruciale pour déclencher l’entrée en mitose (Fantes, 1977). Chez plusieurs bactéries et les cellules filles de la levure S. cerevisiae au contraire, de récentes études ont au contraire montré que l’homéostasie de taille était le résultat d’une addition constante de volume, indépendamment de la taille initiale des cellules (Campos et al., 2014; Soifer et al., 2016; Taheri-Araghi et al., 2015). Ce mécanisme est appelé « adder » et génère une régression des tailles à la moyenne, génération après génération. Ces résultats ont été possibles grâce au développement de techniques permettant la mesure dynamique du volume à l’échelle de la cellule unique et sur plusieurs générations. Une telle mesure est cependant très difficile chez les cellules de mammifère dont le volume fluctue constamment et qui cyclent sur des temps plus longs (environ 20 heures). Pour cette raison, la plupart des approches proposées sont indirectes (Kafri et al., 2013; Sung et al., 2013; Tzur et al., 2009) ou reposent sur une mesure de la masse plutôt que du volume (Mir et al. 2014; Son et al., 2012). Ensemble, ces études ont montré que les cellules de mammifère croissaient de manière exponentielle. Elles ont aussi remis en cause le modèle traditionnel qui proposait que l’homéostasie de taille reposait sur l’adaptation de la durée du cycle et mis en avant un rôle de la régulation de la vitesse de croissance. Cependant, aucun modèle n’a réellement été proposé ou démontré. La nature et l’existence même d’un mécanisme maintenant l’homéostasie de taille des cellules de mammifère est en fait discutée (Lloyd, 2013).Pour caractériser l’homéostasie de taille des cellules de mammifères, nous avons développé une technique permettant pour la première fois la mesure du volume de ces cellules sur des cycles complets (Cadart et al., 2017; Zlotek-Zlotkiewicz et al. 2015). Nous montrons que plusieurs types cellulaires (HT29, MDCK et HeLa) se comportent d’une manière similaire à celle d’un « adder ». Pour tester davantage cette observation, nous induisons artificiellement des divisions asymétriques en confinant les cellules dans des micro-canaux. Nous observons que les asymétries de tailles sont réduites mais pas complètement corrigées au cours du cycle suivant, à la manière d’un « adder ». Pour comprendre comment la croissance et la progression dans le cycle sont coordonnées et génère cet « adder », nous combinons notre méthode de mesure de volume avec un suivi de la progression dans les différentes phases du cycle. Nous montrons que la durée de la phase G1 est inversement corrélée au volume initial des cellules. Cependant, cette corrélation semble contrainte par une durée minimale de G1 mise en évidence lors de l’étude de cellules artificiellement poussées à atteindre de grandes tailles. Néanmoins, même dans cette condition où la modulation de la durée du cycle est perdue, l’observation du « adder » est maintenue. Ceci suggère un rôle complémentaire de la régulation de la vitesse de croissance des cellules. Nous proposons donc une méthode pour estimer théoriquement la contribution relative de l’adaptation de la vitesse de croissance et de la durée du cycle dans le contrôle de la taille. Nous utilisons cette méthode pour proposer un cadre général où comparer le processus homéostatique des bactéries et de nos cellules. En conclusion, notre travail apporte pour la première fois la démonstration que les cellules de mammifères maintiennent l’homéostasie grâce à un mécanisme similaire au « adder ». Ce mécanisme semble impliquer à la fois une modulation de la durée du cycle et du taux de croissance. / The way proliferating mammalian cells maintain a constant size through generations is still unknown. This question is however central because size homeostasis is thought to occur through the coordination of growth and cell cycle progression. In the yeast S. pombe for example, the trigger for cell division is the reach of a target size (Fantes, 1977). This mechanism is referred to as ‘sizer’. The homeostatic behavior of bacteria and daughter cells of the yeast S. cerevisiae on the contrary was recently characterized as an ‘adder’ where all cells grow by the same absolute amount of volume at each cell cycle. This leads to a passive regression towards the mean generation after generation (Campos et al., 2014; Soifer et al., 2016; Taheri-Araghi et al., 2015). These findings were made possible by the development of new technologies enabling direct and dynamic measurement of volume over full cell cycle trajectories. Such measurement is extremely challenging in mammalian cells whose shape constantly fluctuate over time and cycle over 20 hours long periods. Studies therefore privileged indirect approaches (Kafri et al., 2013; Sung et al., 2013; Tzur et al., 2009) or indirect measurement of cell mass rather than cell volume (Mir et al. 2014; Son et al., 2012). These studies showed that cells overall grew exponentially and challenged the classical view that cell cycle duration was adapted to size and instead proposed a role for growth rate regulation. To date however, no clear model was reached. In fact, the nature and even the existence of the size homeostasis behavior of mammalian cells is still debated (Lloyd, 2013).In order to characterize the homeostatic process of mammalian cells, we developed a technique that enable measuring, for the first time, single cell volume over full cell cycle trajectories (Cadart et al., 2017; Zlotek-Zlotkiewicz et al. 2015). We found that several cell types, HT29, HeLa and MDCK cells behaved in an adder-like manner. To further test the existence of homeostasis, we artificially induced asymmetrical divisions through confinement in micro-channels. We observed that asymmetries of sizes were reduced within the following cell cycle through an ‘adder’-like behavior. To then understand how growth and cell cycle progression were coordinated in way that generates the ‘adder’, we combined our volume measurement method with cell cycle tracking. We showed that G1 phase duration is negatively correlated with initial size. This adaptation is however limited by a minimum duration of G1, unraveled by the study of artificially-induced very large cells. Nevertheless, the adder behavior is maintained even in the absence of time modulation, thus suggesting a complementary growth regulatory mechanism. Finally, we propose a method to estimate theoretically the relative contribution of growth and timing modulation in the overall size control and use this framework to compare our results with that of bacteria. Overall, our work provides the first evidence that proliferating mammalian cells behave in an adder-like manner and suggests that both growth and cell cycle duration are involved in size control.

Dans les tissus, les cellules génèrent et sont soumises en permanence à des forces mécaniques. Les perturbations biochimiques à l'intérieur des cellules, ainsi que les altérations de leur environnement mécanique peuvent modifier l'équilibre physiologique et mener à des pathologies, comme le cancer. Bien que les propriétés mécaniques puissent être modifiées à l'échelle du tissus, la compréhension de la mécanique au niveau de la cellule unique demeure importante. En particulier, la différenciation, la migration des cellules immunitaires et le caractère invasif d'un cancer dépendent fortement des propriétés mécaniques des cellules uniques. Les déformations mécaniques peuvent induire un changement de la surface et du volume cellulaires. Nous nous intéressons particulièrement à la régulation du volume cellulaire chez les cellules mammifères dans le contexte de déformations à différentes échelles de temps. Jusqu'à présent, la régulation du volume dans ce contexte n'a été que très peu étudiée, en raison de la difficulté d'obtention de mesures précises, et du fait que le volume de la cellule est généralement considéré comme constant. Nous avons développé une méthode de mesure du volume cellulaire reposant sur l'exclusion de fluorescence, qui nous permet d'effectuer des mesures de volume précise au niveau de la cellule unique. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la régulation du volume cellulaire au cours de l'étalement dynamique sur un substrat (échelle de temps : minutes). Nous avons démontré qu'il existe différents régimes de régulation du volume lors de l'étalement : les cellules réduisent, augmentent ou ne modifient pas leur volume, en fonction de l'état du cortex d'actomyosine et de la vitesse d'étalement. Nous avons constaté que les cellules s'étalant plus vite ont tendance à perdre davantage de volume. Notre hypothèse est que lors d'une extension rapide de lamellipode dépendante d'Arp2/3, l'actine tire sur la membrane et génère une tension et l'activation de transport ionique, s'accompagnant d'une perte de volume compensatoire. L'inhibition de la polymérisation de l'actine ou de sa ramification dépendante d'Arp2/3 réduit la vitesse d'étalement et ainsi la perte de volume. Nous avons ensuite montré que l'inhibition de la contractilité augmente la vitesse d'étalement et la perte de volume. Cependant, l'inhibition d'Arp2/3 dans des cellules à faible contractilité conduit à un étalement rapide sans perte de volume. En effet, l'inhibition d'Arp2/3 induit des bulles de membranes, une déformation rapide n'induirait donc pas de perte de volume car la cellule peut relâcher la tension en dépliant la membrane. Nous avons également montré que la régulation du volume en réponse à une compression mécanique rapide (échelle de temps : millisecondes) indépendante de l'adhérence dépend également de l'état du cortex d'actomyosine. Les cellules perdent jusqu'à 30% de leur volume lorsqu'elles sont confinées, car la membrane plasmique est attachée au cortex et ne peux pas être dépliée en réponse à l'augmentation de la tension. La perturbation du cortex d'actine induit le détachement de la membrane et limite la perte de volume. Enfin, nous avons montré que la réponse du volume à un choc osmotique (échelle de temps : secondes) est plus que complexe que décrite dans la littérature. Nos données indiquent qu'au niveau de la cellule unique, la réponse initiale du volume au changement de l'osmolarité extérieure n'est pas un processus passif uniforme. En utilisant la technique du choc osmotique, nous avons également confirmé que les cellules ont un large excès de membrane repliée dans des réservoirs. Nos résultats montrent que le volume et l'aire cellulaires sont couplés par l'homéostasie de la tension de surface, et, étant donné que les déformations induisent une augmentation de la tension de surface, elles conduisent à des modifications du volume et de l'aire de la cellule. / The field of biomechanics significantly progressed in the last two decades. The importance of the feedback between biochemical signaling and physical properties was revealed in many studies. Cells within tissues constantly generate and experience mechanical forces. Biochemical perturbations inside the cells as well as alterations in the mechanical environment can shift the tiny balance of normal physiological state and lead to pathologies, e.g. cancer. Although the mechanical properties of individual cells can alter when they are within the tissues, the understanding of single cell mechanics is still important. Differentiation, immune cell migration, and cancer invasion strongly depend on the mechanical properties of individual cells. Mechanical deformations can lead to a change in cell surface area and volume. We are particularly interested in single mammalian cell volume regulation in the context of deformations of different timescales. For the moment, volume regulation in this context was out from the research interest, probably due to the difficulties of accurate measurements, and cell volume often considered as a constant parameter. We developed a method for cell volume measurements based on a fluorescent exclusion that allowed us to perform precise volume measurements of individual live cells. In the present study, we mainly focused on cell volume regulation while dynamic spreading on a substrate (timescale – minutes). We demonstrated that there are different regimes for volume regulation while spreading: cells decrease, increase or do not change volume, and a type of the regime depends on the state of the actomyosin cortex and spreading speed. We obtained that faster-spreading cells tend to lose more volume. Our hypothesis is that during fast Arp2/3-driven lamellipodia extension actin pull on the membrane that generates tension and activation of ion transport and regulatory volume loss. Inhibition of actin polymerization or Arp2/3-dependent actin branching decreases spreading speed and volume loss. Next, we showed that inhibition of contractility increases spreading speed and volume loss. However, inhibition of Arp2/3 complex in cells with low contractility leads to fast spreading without volume loss. Our explanation is that inhibition of Arp2/3 induces cell blebbing and even fast deformation does not lead to volume loss as a cell can relax tension by membrane unfolding. We also showed that volume regulation in response to fast mechanical compression (timescale – milliseconds) independent of adhesion also depends on the actomyosin cortex state. Control cells lose up to 30% of volume under confinement, as the cell membrane is attached to the cortex and cannot be unfolded in response to the tension increase. Disruption of actin cortex leads to membrane detachment and prevents volume loss under confinement. Additionally, we showed that cell volume response to the osmotic shock (timescale – seconds) is more complex than it used to be known in the literature. For instance, our data indicate that at the level of individual cells initial volume response to the change of external osmolarity is not a uniform passive process. Using osmotic shock technique, we also confirmed that cells have a large excess of membrane folded in reservoirs. Taken together, our data show that cell volume and surface area are coupled through surface tension homeostasis and as deformations induce surface tension increase, they lead to change volume and surface area.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'échec de la transplantation est dû en partie aux dormnages causés par la préservation à froid et la réperfiision à chaud lors de l'intervention. Parmi les hypothèses retenues pour expliquer ces dommages, on retient la formation des radicaux libres et les perturbations du pH, du calcium et du volume cellulaire. L'ajout de certaines substances dans le milieu de préservation a permis de prolonger de 6h à 24h la survie de l'organe. Malgré le développement de solutions de préservation qui diminuent le gonflement cellulaire des foies à transplanter, les dommages de la reperfusion chaude ne sont pas abolis. Il se peut donc, que l'hypothermie anoxique altère les mécanismes de régulation du volume cellulaire et que ces perturbations contribuent aux dommages observés lors de la reperfusion du greffon chez le receveur. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons vérifié dans le premier chapitre si les conditions de la préservation à froid suivie du réchauffement entravaient la diminution ou l'augmentation compensatrice de volume observé respectivement après un choc hypotonique (retrait de 50 mmol de NaC1). Notre étude démontre que les hépatocytes préservés dans la solution de l'Université de Wisconsin (UM.) ont été moins résistants aux stress osmotiques, ce qui peut rendre les cellules moins aptes à répondre aux stimulations physiologiques comme l'accumulation des acides aminés, spécialement lors des demandes métaboliques et l'alimentation parentérale riche en acides aminés. Ceci devrait être confirmé dans les conditions in vivo. Cependant, nos résultats supportent la notion que la perturbation du volume cellulaire homéostasique peut correspondre au dysfonctionnement primaire observé dans 15% des cas lors de la transplantation hépatique. Subséquemment, nous avons étudié l'impact de la préservation et la réperfusion à chaud sur le transport hépatique d'acides aminés couplés au Na ( 1 0 mM). Nous avons mesuré par la technique de vidéoplanimétrie les changements initiaux de volume qui reflètent l'accumulation des acides aminés. Nous avons constaté qu'en fonction du temps de préservation les transporteurs sont affectés différemment. Le gonflement induit par la proline, substrat spécifique du système ASC est très sensible à la préservation à froid dans la solution U.W. chutant de 50 % après 24h de préservation comparée avec le contrôle sans préservation, en opposition à la glutamine ou à l'analogue de l'alanine. Ceci nous a conduit à proposer que le gonflement induit par la proline représente un index fonctionnel sensible de l'intégrité des cellules du foie. Dans le second chapitre, nous avons comparé l'efficacité de la solution U.W. et la solution Sodium-Lactobionate-Sucrose (SLS) dans leurs capacités à maintenir la viabilité cellulaire et une fonction différenciée des cellules du foie (gonflement induit par l'addition de 10 mM de Proline, substrat spécifique du système ASC). Enfin, dans le troisième chapitre, nous avons comparé l'effet de ces deux solutions (U.W./SLS) sur le métabolisme des médicaments et l'activité catalytique du cytochrome P-450 au niveau des cellules isolées de foie de rat. Cette activité catalytique est calculée par la mesure de la concentration totale du cytochrome P-450 et des métabolites de la théophylline générés après 4h d'incubation. La théophylline est utilisée car elle est métabolisée par plusieurs isoformes du cytochrome P-450: cytochrome P-450 1A2, 2D6, 2E1 et 3A4 dont l'aboutissement est le 1,3-DMU qui est son métabolite majeur. Nous avons noté que la majorité de perturbations observées dans notre modèle in vitro est entre 10 et 24 h de préservation à froid des hépatocytes dans les deux solutions (U.W./SLS). Ceci correspond à la période 12 h de préservation à froid des foies humains dans la solution U.W., qui représente un facteur de risque relatif pour un mauvais pronostic, responsable de dysfonctionnement primaire observé dans 15% des cas lors de la transplantation hépatique. Nos données démontrent clairement que la préservation à froid des hépatocytes dans la solution SLS, préparée au laboratoire à coût très réduit, donne des résultats équivalent à ceux de la solution U.W. (commercialisée par Dupont) quant à sa capacité à maintenir la viabilité cellulaire, l'intégrité fonctionnelle des cellules du foie et le métabolisme des médicaments. Ceci suggère que la solution SLS, qui n'est qu'une variante de la solution U.W., est suffisante pour obtenir les effets bénéfiques de préservation de la solution élaborée expérimentalement (Belzer et Southard, 1988). Donc certains composants de la solution U.W. ne peuvent apporter aucun impact bénéfique comparé à la solution SLS à composition beaucoup plus simple. Une approche intéressante pourrait être établie sur une solution aussi simple que la SLS à laquelle des agents pharmacologiques et cytoprotecteurs peuvent être ajoutés. Ceci permettra de maintenir l'efficacité des fonctions hépatiques et d'améliorer la survie des greffes du foie, menant ainsi à un meilleur pronostic de la transplantation du foie.