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Cette thèse interdisciplinaire a été dédiée à la caractérisation des propriétés mécaniques de myoblastes (murins et humains) et de myotubes (murins) à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). En modifiant ou en inhibant la dynamique du cytosquelette (CSK) d’actine de ces cellules, nous avons pu montrer que ces propriétés mécaniques variaient. L’enregistrement de courbes de force indentation nous a permis de montrer que la présence de cellules adhérentes introduisait sur les leviers d’AFM un amortissement visqueux supplémentaire à celui d’une paroi solide, et que cet amortissement visqueux dépendait de sa vitesse d’approche et que celui-ci restait non négligeable pour les plus faibles vitesses (1μm/s). Nous avons observé que les propriétés mécaniques des précurseurs de muscles devenaient non linéaires (comportement plastiques) pour des grandes déformations (>1μm) et qu’elles dépendaient de l’état, du type de cellule et de leur environnement. En combinant des expériences d’AFM, des modèles visco-élastiques et des méthodes d'analyse multi-échelle basées sur la transformation en ondelettes, nous avons illustré la variabilité des réponses mécaniques de ces cellules (de visco-élastiques à visco-plastiques). À l'aide de courbes de force-indentation, de l’imagerie morpho-structurale (DIC, microscopie à fluorescence) et de traitements pharmacologiques, nous avons éclairé le rôle essentiel des processus actifs (dépendants de l’ATP) dans la mécanique de myoblastes, en discutant tout particulièrement ceux des moteurs moléculaires (myosine II) couplés aux filaments d’actine. En particulier, nous avons montré que les fibres de stress du cytosquelette d’actine situées autour du noyau pouvaient présenter des évènements de remodelage soudains (ruptures) et que ces ruptures étaient une mesure indirecte de l’aptitude de ces cellules à tendre leur CSK. Nous avons enfin montré qu’il était possible de généraliser cette approche à des cas cliniques humains, en l’occurrence des myoblastes primaires de porteurs sains et de patients atteints de dystrophie musculaire de Duchenne, ouvrant la voie à des études plus larges sur d’autres types cellulaires et pathologies. / This interdisciplinary thesis was dedicated to the atomic force microscopy (AFM) characterization of the mechanical properties of myoblasts (murine and human) and myotubes (murine). We reported that the mechanical properties of these cells were modified when their actin cytoskeleton (CSK) dynamics was inhibited or altered. Recording single AFM force indentation curves, we showed that adherent layers of myoblasts and myotubes introduced on the AFM cantilever an extra hydrodynamic drag as compared to a solid wall. This phenomenon was dependent on the cantilever scan speed and not negligible even at low scan velocities (1μm/s). We observed that the mechanical properties of the muscle precursor cells became non-linear (plastic behaviour) for large local deformations (>1μm) and that they varied depending on the state, type and environment of the cells. Combining AFM experiments, viscoelastic modeling and multi-scale analyzing methods based on the wavelet transform, we illustrated the variability of the mechanical responses of these cells (from viscoelastic to viscoplastic). Through AFM force indentation curves analysis, morpho-structural imaging (DIC, fluorescence microscopy) and pharmacological treatments, we enlightened the important role of active (ATP-dependent) processes in myoblast mechanics, focusing especially on those related to the molecular motors (myosin II) coupled to the actin filaments. In particular, we showed that the perinuclear actin stress fibers could exhibit some abrupt remodelling events (ruptures), which are characteristic of the ability of these cells to tense their CSK. Finally, we showed that this approach can be generalized to some human clinical cases, namely primary human myoblasts from healthy donors and patients affected by Duchenne muscular dystrophy, paving the way for broader studies on different cell types and diseases.

Les structures d'acto-myosine sont impliquées dans de nombreuses fonctions cellulaires. Comprendre leur organisation et leur comportement collectif est toujours difficile. Nous avons étudié l'anneau cytokinétique dans les cellules de mammifères et dans les levures de fission, en orientant les cellules dans les microcavités, ce qui permet de voir l'anneau dans un seul plan focal. Avec cette configuration, nous révélons de nouvelles structures et des dynamiques distinctes pour les deux systèmes cellulaires. Dans les cellules de mammifères, nous trouvons des motifs réguliers de la myosine et la formine. Les caractéristiques de ces motifs sont stables tout au long de sa fermeture et leur apparition coïncide avec la constriction. Nous proposons que ce phénomène est une propriété inhérente du réseau d'acto-myosine et que la formation de ces motifs entraîne une augmentation du stress. Ces hypothèses sont confirmées par notre modèle en champ moyen. Par contraste, l'anneau de levure de fission montre des inhomogénéités tournantes de l'actine, de la myosine, des protéines de la construction de la paroi (Bgs) et d'autres protéines. La dynamique des inhomogénéités de myosine est inchangée, si la croissance de la paroi est inhibée. Cependant, l'inhibition du mouvement des inhomogénéités conduit à l'arrêt de la fermeture. Nous proposons que la fermeture de l'anneau est entraînée par la rotation de l'actine et de la myosine qui tirent des protéines Bgs, lesquelles construisent ainsi le septum. Cette hypothèse est confirmée par nos calculs et par des simulations numériques. Nous suggérons que la transition entre les états de différents ordres et dynamiques pourrait être une façon de réguler in vivo les systèmes d'acto-myosine. / Actomyosin structures are involved in many cell functions. Understanding their organization and collective behavior is still challenging. We study the cytokinetic ring in mammalian cells and in fission yeasts, by orienting cells in microcavities. This allows seeing the ring in a single plane of focus. With this setup, we reveal new structures and distinct dynamics for both cellular systems. In mammalian cells we find a pattern of regular clusters of myosin and formin. The characteristics of this pattern are stable throughout closure and its formation coincides with the onset of constriction. We propose that its characteristic is an inherent property of the actomyosin network and that its formation leads to an increase in stress generation. These hypotheses are supported by our theoretical mean field model. In contrast, fission yeast rings show rotating inhomogeneities (speckles), i.e. rotations of actin, myosin, cell wall building proteins (Bgs) and other proteins. Myosin speckles dynamic is unchanged, if wall growth is inhibited. However, the inhibition of speckle motion leads to stalled closure. We propose that the ring closure is driven by the rotation of actin and myosin, which pull Bgs thereby building the septum. This model is supported by our calculations and by numerical simulations. We suggest that the transition between states of different orders and dynamics might be a way to regulate actomyosin systems in vivo.

L’un des objectifs du programme de recherche Opticook est d’équiper les fours avec des capteurs spectroscopiques qui permettront de piloter de façon non intrusive la cuisson de viande et de poisson. Le développement de ces capteurs est basé sur l’hypothèse que les protéines de ces aliments sont de bons marqueurs du degré de cuisson. Dans ce contexte, dans un premier temps, plusieurs outils ont été mis en œuvre pour caractériser l’effet de différents barèmes de cuisson sur les propriétés macroscopiques (texture, couleur) d’échantillons de bœuf, de poulet et de dos de cabillaud. Puis, pour étudier les transformations que subissent ces échantillons à l’échelle moléculaire, nous avons utilisé la calorimétrie et différentes spectroscopies. La spectroscopie dans le domaine du visible nous a permis d’observer la dénaturation des hémoprotéines grâce à l’évolution de l’état (oxy à met ). Ces protéines sont responsables du changement de couleur observé entre 50 et 75 °C. Les spectroscopies dans le moyen infrarouge et de fluorescence ont été utilisées pour suivre les changements de structures associées à la dénaturation des protéines fibrillaires. La myosine, purifiée à partir du blanc de poulet, a été étudiée en fonction de la température par fluorescence. Les résultats nous ont montré que des évolutions de la structure protéique se produisent dès 50 °C. À l’échelle microscopique, nous avons réalisé des expériences sur des échantillons de bœuf par RMN bas champ (séquences d’impulsion et gradient de champ), et par tomographie de neutrons pour rendre compte de la contraction des fibres et de la libération du jus selon le degré de cuisson. L’analyse des images 3D enregistrées par tomographie de neutrons et le traitement des données de RMN montrent des changements importants de la morphologie et de la densité de fibres des échantillons après la cuisson à haute température. Pour associer les deux approches (moléculaire et microscopique) des mesures couplées de spectroscopie et d’imagerie de neutrons ont été menées dans le four Opticook pendant la cuisson de tranches de bœuf. Ce couplage nous a permis de suivre l’évolution de la morphologie due à la contraction des fibres, la migration du jus, ainsi que le changement de couleur associé à la dénaturation des hémoprotéines. Nous en concluons qu’il est en effet possible de suivre le degré de cuisson de viande et de poisson à l’aide de différentes spectroscopies (la fluorescence et le visible) grâce aux signatures spectroscopiques de plusieurs marqueurs internes à ces matrices : la myosine, le collagène et les hémoprotéines. / One of the purposes of the Opticook project is to install spectroscopic sensors in ovens, so equipping them with non intrusive tools allowing following cooking process of meat and fish. The hypothesis on which sensors were developed was: are muscular proteins proper probes to discriminate among several cooking degrees? Thus, at the beginning of the project several tools were used to characterise effect of several cooking degrees on macroscopic properties (texture and colour) of beef, chicken and cod fillet samples. Following, calorimetry and spectroscopic techniques were used to study transformations at molecular scale. In particular, visible spectroscopy followed denaturation of haemproteins observing their evolution from oxy to met state. Colour change was observed between 50 and 75 °C. Middle infrared and fluorescence spectroscopies were used to observe evolution of fibrillar proteins which are associated with meat texture changes. One of myofibrils, myosin, was purified from chicken breast and was studied depending on temperature by fluorescence spectroscopy. Observations showed evolution of protein structure occurred around 50 °C. At microscopic scale, low field NMR (spin echo and gradient field configurations) and neutron tomography were used to observe morphology changes and juice release on beef samples according to cooking degree. 3D image analysis and NMR data showed morphology and fibre density changes at high temperature.We associated the two approaches (molecular and microscopic) in the last part of the research. So coupled measures were realised by combining neutron imaging and spectroscopy techniques during cooking process on beef slices by Opticook oven. Coupled measures allowed following morphology evolution because of fibre contractions, juice migration and colour modification as well associated to haemprotein denaturation. In conclusion, it is possible to follow cooking process of meat and fish by following several spectroscopic signatures (fluorescence and visible ones) of matrix own probes: myosin, collage and haemproteins.

Au cours de gastrulation chez la Drosophile, deux vagues successives de constriction ont lieux au niveau des cellules ventrales menant à l'invagination du mésoderme. La première vague de constriction est stochastique et entraine la constriction de 40% des cellules mesodermales réparties aléatoirement et est contrôlée par le facteur de transcription Snail. La seconde vague de constriction arrive immédiatement après et implique également la constriction des 60% manquant de cellules mésodermales. Cette seconde vague est contrôlée par le facteur de transcription Twist et requière la présence de la protéine sécrétée Fog. L'invagination complète du mésoderme riquière la redistribution de la protéine moteur Myosine II au niveau de l'apex des cellules en cours de constriction. Il a été montré que la mutation de Snail mène à une perte des deux phases de constriction, mais qu'une indentation sur les cellules du mésoderme permet de rétablir la seconde phase de constriction Twist dépendante. Nous avons cherché à étudier les interaction entre les deux phases de constriction, la protéine sécrétée Fog et le moteur moléculaire Myosine II à l'aide d'une simulation numérique. Nous avons également chercher à étudier la corélation entre l'invagination globale du mésoderme et la phosphorylation de la Bêta-Cathenine qui est impliquée dans l'activation de Twist. Nous avons étudier l'invagination de l'endoderme postérieur qui présente de nombreuses similitude avec l'invagination de l'endoderme et leurs interactions. Enfin également à l'aide d'une simulation numérique, nous avons testé l'hypothèse de l'apparition d'une invagination dans un organisme primitif mécano-sensible ( la gastræ d'HAECKEL ) au contact avec le plancher océanique. / During Drosophila gastrulation, two waves of constriction occur in the apical ventral cells, leading to mesoderm invagination. The first constriction wave is a stochastic process mediated by the constriction of 40% of randomly positioned mesodermal cells and is controlled by the transcription factor Snail.The second constriction wave immediately follows and involves the other 60% of the mesodermal cells. The second wave is controlled by the transcription factor Twist and requires the secreted protein Fog. It is known that Snail mutation lead to the loss of the two constriction phases but a mechanical poking on the mesoderm cells can rescue de second phase of Twist dependent constriction. The interactions between the two constriction phases, la secreted protein Fog and the molecular motor Myosin II with a numerical simulation. The posterior endoderm invagination that presents similarities with mesoderm invagination have been study, as well as the interaction between them. Finally with an other numerical simulation, the hypothesis of an induced invagination on a primitive mechanosensible organism ( the HAECKEL grastrae ) on the contact with the oceanic floor has been tested.

Les cellules dendritiques (DCs) patrouillent les tissus périphériques à la recherche de dangers potentiels en se déplaçant à travers les tissus et en incorporant de grande quantité de matériel extracellulaire. Cet événement précoce de la réponse immunitaire adaptative est susceptible de déterminer l'amplitude et la qualité de l'activation des lymphocytes T et B. De ce fait, les DCs pourraient avoir besoin d'orchestrer leur motilité et leur fonction de capture des antigènes afin d'initier un réponse immunitaire efficace et adaptée. Afin d'étudier les mécanismes responsables de l'optimisation de l'échantillonnage des tissus par les DCs, nous avons suivi leur migration et leur capacité à capturer des antigènes dans des chambres micro-fluidiques contenant des canaux étroits qui permettent de reproduire l'espace confiné des tissus périphériques. De manière surprenante, nous avons découvert que la migration des DCs et leur aptitude à accumuler des antigènes sont des fonctions antagonistes et dépendent de l'activité du moteur moléculaire Myosine II. Nous avons observé que les DCs se déplacent en alternant des phases rapides au cours desquelles la Myosine II est distribuée de manière asymétrique à l'arrière des cellules, et des phases plus lentes pendant lesquelles la Myosine II est enrichie à l'avant. Les enrichissements transitoires de Myosine II à l'avant des DCs dépendent de l'association de la Myosine II avec la chaîne invariante associée au CMH-II (Ii). Ces évenements favorisent l'absorption d'antigènes et leur transport dans les compartiments endolysosomaux. Des expériences menées avec une pince optique nous ont permis de montrer que l'activité de la Myosine II à l'avant des cellules génère des forces mécaniques qui induisent le transport des vésicules vers l'intérieur de la cellule, probablement en modulant le flux rétrograde d'actine. Ainsi, au cours de cette thèse, nous avons montré que la Myosine II était nécessaire à la fois pour la migration cellulaire et la capture d'antigènes, établissant un mécanisme moléculaire qui permet de coordonner ces deux processus dans le temps et l'espace. Nous proposons que l'alternance de phases de haute mobilité et de phases d'arrêt associées à la capture d'antigènes confère aux DCs une stratégie de recherche intermittente qui leur permettrait d'optimiser la surveillance des tissus périphériques. / Dendritic cells (DCs) patrol peripheral tissues in search for potential dangers by actively crawling and internalizing extracellular materiel. This initial event of an adaptive immune response is likely to determine the magnitude and quality of T cell and B cell immunity. Therefore, DCs might need to tightly orchestrate their migration and their antigen uptake function in order to mount an efficient and adapted immune response. To investigate the mechanisms responsible for the optimization of tissues sampling by DCs, we monitored their migration and their ability to capture antigens in micro-fluidic chambers containing narrow channels that mimic the confined space of peripheral tissues. Surprisingly, we found that cell migration and antigen accumulation in endolysosomes are antagonistic, both relying on the activity of the motor protein Myosin II. We observed that DCs alternate between phases of fast motility during which Myosin II is asymmetrically distributed at the cell rear, and phases of slow motility during which Myosin is enriched at the cell front. Transient Myosin II enrichments at the leading edge depends on its association with the MHC-II associated Invariant Chain (Ii). These events promote antigen uptake and arrival in endolysosomal compartments. Using optical tweezers, we further showed that Myosin II activity at the leading edge generates mechanical forces that drive vesicles transport toward the cell body probably through the modulation of F-actin retrograde flow. Thus, during my PhD, we have shown that Myosin II is required for both migration and antigen capture, providing a molecular mechanism to couple these two processes and allow their coordination in time and space. We propose that alternation between phases of fast motility and phases of low motility associated with efficient antigen capture imposes an intermittent search behavior on DCs, which might be optimal for environment patrolling.

L’asthme équin est une condition inflammatoire fréquente affectant les voies respiratoires inférieures. Cette maladie est caractérisée par une bronchoconstriction, une hyperréactivité bronchique, ainsi que des changements des différentes couches tissulaires des voies respiratoires que l’on regroupe sous le terme de remodelage pulmonaire. Le remodelage du muscle lisse bronchique dans l’asthme comprend une hyperplasie, une hypertrophie, ainsi qu’une altération des propriétés contractiles des myocytes. Bien que ces changements aient été décrits dans la forme sévère de l’asthme équin, la présence de telles altérations chez les chevaux atteints des formes légères à modérées de l’asthme demeure incertaine. L’objectif de notre étude est donc de déterminer si le muscle lisse bronchique présente un remodelage chez les chevaux asthmatiques légers à modérés. Des biopsies endobronchiques provenant de 18 chevaux asthmatiques et de 7 chevaux contrôles ont été étudiées. Le diagnostic était basé sur les signes cliniques et confirmé par cytologie du lavage bronchoalvéolaire. La prolifération des cellules du muscle lisse bronchique était évaluée par l’expression du proliferating cell nuclear antigen marqué par immunohistochimie, et l’expression génique de l’isoforme rapide de la myosine, une protéine hypercontractile, a été mesurée par RT-qPCR. Cette étude a permis de mettre en évidence une surexpression de l’isoforme rapide de la myosine chez les chevaux asthmatiques légers à modérés. Malgré l’absence de différence dans le taux de prolifération cellulaire du muscle lisse bronchique entre les groupes, le pourcentage de myocytes en prolifération était corrélé à l’inflammation pulmonaire neutrophilique ainsi qu’à l’expression de l’isoforme rapide de la myosine chez les chevaux asthmatiques. Cette première étude évaluant le remodelage du muscle lisse bronchique chez les chevaux asthmatiques légers à modérés a démontré une altération fonctionnelle du muscle lisse bronchique dans les formes légères de l’asthme équin, une possible influence de la neutrophilie pulmonaire sur la prolifération du muscle lisse, ainsi qu’une association entre les phénotypes prolifératifs et contractiles. Les altérations identifiées pourraient servir de biomarqueurs potentiels dans l’évolution de la maladie et de la réponse aux traitements. / Equine asthma is a common inflammatory condition affecting the lower airways. This disease is characterised by bronchoconstriction, airway hyperreactivity, and changes in the different tissue layers of the airways, which are referred to as airway remodelling. Remodelling of the smooth muscle in asthma includes hyperplasia, hypertrophy, and altered contractile properties of the myocytes. Although these changes have been described in severe equine asthma, their presence in horses with milder forms of asthma remains unclear. The aim of our study was therefore to determine whether airway smooth muscle remodelling occurs in horses with mild to moderate asthma. Endobronchial biopsies from 18 asthmatic horses and 7 control horses were studied. The diagnosis was based on clinical signs and confirmed by bronchoalveolar lavage cytology results. Airway smooth muscle cell proliferation was assessed by the expression of immunohistochemically labelled proliferating cell nuclear antigen, and the gene expression of the fast contracting myosin isoform, a hypercontractile protein, was measured by RT-qPCR. This study showed overexpression of the fast contracting myosin isoform in horses with mild to moderate asthma. Although there was no difference in the proliferation rate of airway smooth muscle myocyte between groups, it was correlated with neutrophilic lung inflammation as well as with the expression of the fast myosin isoform in asthmatic horses. This first study evaluating airway smooth muscle remodelling in mild to moderate asthmatic horses has demonstrated a functional alteration of airway smooth muscle in mild equine asthma, as well as a possible influence of pulmonary neutrophilia on smooth muscle proliferation, and an association between proliferative and contractile phenotypes. The identified alterations could eventually serve as biomarkers in the evolution of the disease and the response to treatments.