Pour la cellule, l’assemblage du cytosquelette d’actine joue un rôle central dans son déplacement, sa division ou sa morphogenèse. Cette réorganisation est orchestrée par des protéines régulatrices et des contraintes mécaniques. Savoir comment les combinaisons de ces actions biochimiques et physiques régulent les différentes architectures d’actine reste un véritable défi.La formine protéine est un régulateur essentiel de l’actine. Ancrée à la membrane, elle assemble les filaments d’actine (nucléation et élongation) présents dans des architectures linéaires et non branchées. La formine est impliquée notamment dans la génération de filopodes, protrusions guidant la locomotion cellulaire.Une propriété remarquable est sa capacité à suivre processivement le bout barbé d’un filament qu’elle allonge, tout en stimulant son élongation en présence de profiline. La régulation de cette processivité de la formine est encore à clarifier. C’est une caractéristique importante, intervenant dans le contrôle de la longueur des filaments, dont les connaissances sont à approfondir.L’étude de cette processivité est facilitée par l’utilisation d’un outil microfluidique novateur pour l’étude de la dynamique de multiples filaments individuels d’actine in vitro. Au sein d’une chambre en PDMS, les filaments sont ancrés à la surface par un seul bout, le reste s’alignant avec le flux. Nous pouvons précisément y changer l’environnement biochimique,tandis que la friction visqueuse sur les filaments permet d’exercer une tension contrôlée sur chacun d’entre eux.Simultanément à l’action de la formine au bout barbé, j’étudie l’effet d’autres protéines ou de la vitesse d’élongation sur sa processivité, en mesurant son taux de détachement. Par ailleurs nous pouvons reproduire l’ancrage membranaire cellulaire en attachant spécifiquement nos formines à la surface. Dans la chambre, par l’intermédiaire du filament qu’elle allonge, nous pouvons alors exercer des forces et en étudier l’effet sur la formine.Premièrement, j’ai étudié l’impact de la protéine de coiffe (CP) sur l’activité de la formine au bout barbé. La liaison de ces deux protéines aubout barbé a jusqu’ici été considérée mutuellement exclusive. Nous avons observé qu’elles peuvent toutefois se retrouver simultanément liées au bout barbé, au sein d’un complexe à courte durée de vie. Ce complexe ternaire est capable de stopper l’activité du bout barbé même si l’affinité d’une protéine est réduite par la présence de l’autre. Nous proposons qu’une compétition entre la protéine de coiffe et la formine régule la dynamique du bout barbé dans des architectures où les longueurs doivent être hautement contrôlées.J’ai ensuite étudié l’influence de divers facteurs sur la processivité. La processivité est très sensible à la présence du sel et à la fraction demarquage fluorescent utilisée dans nos expériences. Nous avons également observé l’effet de la vitesse d’élongation, qui peut être modifiée en changeant la concentration en actine ou en profiline. D’une part, l’actine réduit la processivité, à n’importe quelle concentration de profiline. D’autre part, la concentration en profiline augmente cette processivité,indépendamment du taux d’élongation. Cela suggère qu’une incorporation de monomère diminue la processivité, tandis que la profiline, par sa présence au bout barbé, l’augmente.Enfin, la tension exercée sur les formines abaisse fortement la processivité : quelques piconewtons réduisent la processivité de plusieurs ordres de grandeurs. Cet effet, purement mécanique, prédomine sur les facteurs biochimiques. Ces résultats nous indiquent que les contraintes mécaniques de tension joueraient un rôle prédominant dans le contexte cellulaire. Cette étude nous aide à construire un modèle plus complet de l’élongation processive par les formines.En conclusion, ce projet permet de mieux comprendre le fonctionnement moléculaire de la formine, en particulier le mécanisme de l’élongation processive et de sa régulation / Actin filament assembly plays a pivotal role in cellular processes such as cell motility, morphogenis or division. Elucidating how the actin cytoskeleton is globally controlled remains a complex challenge. We know that it is orchestrated both by actin regulatory proteins and mechanical constraints.The formin protein is an essential actin regulator. Anchored to the cell membrane, it is responsible for the assembly (nucleation and elongation) of actin filaments found in linear and unbranched architectures. It is notably involved in the generation of filopodia protrusions at the leading edge of a motile cell. One important feature is that it processively tracks the barbed end of an actin filament, while stimulating its polymerization in the presence of profilin.Formin processivity and its regulation is not yet completely understood. As an important factor determining the length of the resulting filament, it must be investigated further.A perfect assay to look at formin processivity in vitro is an innovative microfuidics assay coupled to TIRF microscopy, pioneered by the team, to simultaneously track tens of individual filaments. In a designed chamber,filaments are anchored to the surface by one end, and aligned with the solution flow. We can precisely control the biochemical environment of the filaments. Moreover, we can exert and modulate forces on filaments, due to the viscous drag of flowing solutions. By varying chemical conditions during formin action at the barbed end, I investigated how others proteins or the elongation rate can modulate formin processivity, by looking at the detachment rate of formins.Moreover, we can mimic the membrane anchoring in the cell by specifically attaching formins at the surface. In our chamber, through the filament they elongate, we can apply force to formins.In complement to biochemical studies, we then investigate the effect oftension on their processivity.I first investigated the impact of a capping protein on formin action at the barbed end. Their barbed end binding is thought to be mutually exclusive.We measured that the affinity of one protein is reduced by the presence of the other. However we observed they both can bind simultaneously the barbed end, in a transient complex, which block barbed end elongation.Competition of formin and CP would regulate barbed end dynamics in a cell situation where length is tightly controlled.I next studied formin processivity dependence on various parameters. We show that processivity is sensitive to salt and labelling fraction used in our solutions. We also looked at how processivity is affected by the elongation rate, which can either be varied by actin or profilin concentration. On one hand, actin concentration reduces processivity, at any given concentrationsof profilin. On the other hand, raising the concentration of profilin increasesprocessivity, regardless of the elongation rate. This indicates that theincorporation of actin monomers decreases processivity while in contrast,the presence of the profilin at the barbed end increases it.Moreover, tension exerted on formin was observed to largely favor its detachment. In a quantitative matter, the effect of tension prevails over anyothers biochemical factor on processivity : only a few piconewtons decreaseit by several orders of magnitude. This important effect helps us build amore complete model of processive elongation. These results indicate thatmechanical stress is likely to play an important role in a cellular context.In conclusion, this project brings insights into the molecular properties offormin and helps to decipher the mechanism of processive elongation and its regulation.

Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens, ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe, biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung. Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den Kallus wandern. Hauptziel der Arbeit ist das bessere Verständnis der mechano-biologischen Regulation der Gewebeformation während der Heilung eines normalen Knochenbruches. Dazu wurden Computersimulationen durchgeführt und mit experimentellen Daten eines Schafmodels verglichen. / Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures, healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated, e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.

Most animal cells adopt an approximately spherical shape when entering mitosis. This process has been termed mitotic rounding. It ensures the correct morphogenesis of the mitotic spindle and, in turn, successful cell division. When cells acquire a round shape at the entry of mitosis, they need to mechanically deform the surrounding tissue to do so. Previous studies suggest that the forces necessary for this deformation emerge from the contractility of the mitotic actin cortex. In fact, at the onset of mitosis, cortical contractility was found to be upregulated giving rise to an increased cell surface tension which drives the mitotic cell into a spherical shape. In a growing tumor, an increasing cell density generates a compressive mechanical stress which would likely lead to an increasing mechanical obstacle for mitotic rounding. Indeed, mechanical confinement or external pressure have been shown to hamper cell proliferation in tumor spheroids. Thus, it has been hypothesized that the actin cortex of cancer cells exhibits oncogenic adaptations that allow for ongoing mitotic rounding and division inside tumors. In fact, it was shown that the human oncogene Ect2 contributes to mitotic rounding through RhoA activation and that Ras overexpression promotes mitotic rounding. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a cellular transformation in which epithelial cells loose epithelial polarity and intercellular adhesiveness gaining migratory potential. EMT, a hallmark in cancer progression, is commonly linked to early steps in metastasis promoting cancer cell invasiveness. Moreover, EMT was connected to cancer stem cells and the outgrowth of secondary tumors, suggesting that EMT may also be important for cell proliferation in a tumor. In this work, I investigated the role of EMT in actin cortex mechanics and mitotic rounding. To assess cortex mechanics, I measured the mechanical properties of the actin cortex in mitosis, in particular cortical stiffness and contractility before and after EMT. Furthermore, I also determined the mechanical changes of the actin cortex of interphase cells upon EMT; mechanics of interphase cells may critically influence mitotic rounding as interphase cells are a major constituent of the surrounding of a mitotic cell which needs to be deformed in the process of rounding. For our cortex-mechanical measurements, I used an established dynamic cell confinement assay based on atomic force microscopy. I show striking cortex- mechanical changes upon EMT that are opposite in interphase and mitosis. They are accompanied by a strong change in the activity of the actomyosin master regulators Rac1 and RhoA. Concomitantly, I characterize cortex-mechanical changes induced by Rac1 and RhoA signaling. In particular, I show that Rac1 inhibition restores epithelial cortex mechanics in post-EMT cells. Furthermore, I give evidence that EMT, as well as Rac1 activity changes induce actual changes in mitotic rounding in spheroids embedded in mechanically confining, covalently crosslinked hydrogels. Overall, I give evidence that EMT-induced changes results in a softer and less contractile cortex in interphase and a stiffer and more contractile cortex in mitotic cells, and it correlates with increased proliferation in confined environment.:Summary Zusammenfassung Acknowledgements 1-Introduction 1.1-The actin cortex 1.1.1-Regulation of actin cortex polymerization 1.1.2-Rho-GTPases in actin cortex regulation 1.1.3-The actin cortex in cell shape regulation and mitotic rounding 1.1.4-Experimental approaches to measure actin cortex mechanics 1.1.5-AFM cell confinement assay – a new tool for actin cortex-mechanical measurements 1.2-Epithelial-mesenchymal transition in cancer progression and metastasis 1.2.1-EMT effects on cell proliferation 1.2.2-EMT effects on Rho-GTPases activities 1.2.3-EMT effects on transcription factors 1.3-Outline of the thesis 2-Pharmacological induction of EMT 3-Mechanical changes of actin cortex mechanics upon EMT 3.1-Cell volume change during AFM confinement 3.2-Interphase and mitotic actin cortex mechanical changes upon EMT 3.3- Rho-GTPases activity changes upon EMT 4- Molecular perturbations of the cortex and their impact on cortex mechanics 5-Mitotic rounding in confined cell spheroids before and after EMT 5.1-The effect of cortex regulators on confined spheroids upon EMT 6-Time-dependence of actin cortex mechanics in breast epithelial cells 6.1-Rheology of actin cortex as a thin active film 6.2-Viscoelasticity of the actin cortex in relation to malignancy 7-Discussion 8-Outlook 8.1-Mitosis duration and quiescence in confined spheroids 8.2-Signalling cascades that trigger EMT-induced cortex-mechanical phenotype 8.2-Membrane tension upon EMT 9-Bibliography 10-Appendix 10.1-Abbreviations 10.2-Symbols / Die meisten tierischen Zellen nehmen beim Eintritt in die Mitose eine annähernd kugelförmige Form an. Dieser Vorgang wird als mitotische Aufrundung bezeichnet. Sie sorgt für die korrekte Morphogenese der mitotischen Spindel und damit für eine erfolgreiche Zellteilung. Wenn Zellen beim Eintritt der Mitose eine runde Form annehmen, müssen sie das umgebende Gewebe mechanisch verformen. Frühere Studien legen nahe, dass die für diese Verformung erforderlichen Kräfte aus der Kontraktilität des mitotischen Aktin-Cortexes resultieren; zu Beginn der Mitose führt ein Anstieg der kortikalen Kontraktilität zu einer erhöhten Zelloberflächenspannung, die die mitotische Zelle in eine kugelförmige Form treibt. Bei einem wachsenden Tumor erzeugt eine zunehmende Zelldichte einen Kompressionsdruck, der vermutlich ein zunehmendes mechanisches Hindernis für die mitotische Aufrundung darstellt. Es wurde gezeigt, dass mechanische Begrenzung oder äußerer Druck die Zellproliferation in Tumorsphäroiden hemmen. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass der Aktinkortex von Krebszellen onkogene Anpassungen aufweist, die eine fortlaufende mitotische Aufrundung und Zellteilung innerhalb von Tumoren ermöglichen. Weiterhin wurde gezeigt, dass das humane Onkogen Ect2 durch RhoA-Aktivierung zur mitotischen Aufrundung beiträgt und dass die Überexpression von Ras die mitotische Aufrundung fördert. Die epithelial-mesenchymale Transition (EMT) ist eine zelluläre Transformation, bei der Epithelzellen die epitheliale Polarität und die interzelluläre Adhäsivität verlieren und Migrationspotential gewinnen. EMT, ein Kennzeichen für das Fortschreiten von Krebs, ist häufig mit frühen Schritten der Metastasierung und einer Steigerung der Invasivität von Krebszellen verbunden. Darüber hinaus wird die EMT mit Krebsstammzellen und der Entstehung von Sekundärtumoren in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass die EMT auch für die Zellproliferation in einem Tumor wichtig sein könnte. In dieser Arbeit wurde die Bedeutung der EMT für die Mechanik des Aktinkortex und die mitotische Aufrundung untersucht. Die mechanischen Eigenschaften des Zellkortexes, insbesondere die kortikale Steifheit und Kontraktilität, wurden in mitotischen und nicht-adhärenten Interphasezellen gemessen vor und nach der EMT. Die Mechanik von Interphasenzellen kann die mitotische Aufrundung entscheidend beeinflussen, da Interphasenzellen ein Hauptbestandteil der Umgebung einer mitotischen Zelle sind, die während des Aufrundungsprozesses deformiert werden muss. Für meine kortexmechanischen Messungen verwendete ich einen etablierten Assay, der auf Rasterkraftmikroskopie basiert. Ich konnte ausgeprägte kortexmechanische Veränderungen durch die EMT feststellen, die in Interphase und Mitose entgegengesetzt sind. Diese kortikalen Veränderungen gehen mit einer starken Modifikation der Aktivitäten der Actomyosin-Hauptregulatoren Rac1 und RhoA einher. Weiterhin konnte ich kortexmechanische Veränderungen charakterisieren, die durch Rac1- und RhoA- Signale induziert werden. Insbesondere zeige ich, dass die Rac1-Hemmung die epitheliale Kortexmechanik in Post-EMT-Zellen wiederherstellt. Darüber hinaus fand ich Hinweise darauf, dass EMT- und Rac1-Aktivitätsänderungen zu einer Änderung der mitotischen Aufrundung in eingebetteten Sphäroiden führen. Insgesamt zeigen die Daten in dieser Arbeit klare Hinweise darauf, dass EMT-induzierte Veränderungen zu einem weicheren und weniger kontraktilen Kortex in der Interphase und einem steiferen und kontraktileren Kortex in mitotischen Zellen führen und mit einer erhöhten Proliferation in mechanisch begrenzten Zellumgebungen korrelieren.:Summary Zusammenfassung Acknowledgements 1-Introduction 1.1-The actin cortex 1.1.1-Regulation of actin cortex polymerization 1.1.2-Rho-GTPases in actin cortex regulation 1.1.3-The actin cortex in cell shape regulation and mitotic rounding 1.1.4-Experimental approaches to measure actin cortex mechanics 1.1.5-AFM cell confinement assay – a new tool for actin cortex-mechanical measurements 1.2-Epithelial-mesenchymal transition in cancer progression and metastasis 1.2.1-EMT effects on cell proliferation 1.2.2-EMT effects on Rho-GTPases activities 1.2.3-EMT effects on transcription factors 1.3-Outline of the thesis 2-Pharmacological induction of EMT 3-Mechanical changes of actin cortex mechanics upon EMT 3.1-Cell volume change during AFM confinement 3.2-Interphase and mitotic actin cortex mechanical changes upon EMT 3.3- Rho-GTPases activity changes upon EMT 4- Molecular perturbations of the cortex and their impact on cortex mechanics 5-Mitotic rounding in confined cell spheroids before and after EMT 5.1-The effect of cortex regulators on confined spheroids upon EMT 6-Time-dependence of actin cortex mechanics in breast epithelial cells 6.1-Rheology of actin cortex as a thin active film 6.2-Viscoelasticity of the actin cortex in relation to malignancy 7-Discussion 8-Outlook 8.1-Mitosis duration and quiescence in confined spheroids 8.2-Signalling cascades that trigger EMT-induced cortex-mechanical phenotype 8.2-Membrane tension upon EMT 9-Bibliography 10-Appendix 10.1-Abbreviations 10.2-Symbols

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.