6 Mécano-sensibilité

De nombreuses techniques de micromanipulation ont permis de sonder à différentes échelles la réponse des cellules à des contraintes mécaniques (voir (Hu et al., 2004) pour une revue des techniques utiles à l’étude de la mécanotransduction).

Des cellules non transformées sont sensibles à la rigidité du substrat. Plus le substrat est rigide et plus les cellules s’étalent et se divisent ; un substrat mou au contraire induit l’entrée en apoptose. Par contre des cellules transformées se divisent indépendamment de la rigidité du substrat (Wang et al., 2000). Les cellules ont ainsi la capacité d’adapter leur rigidité à celle de leur environnement. Cette propriété est une conséquence de la boucle de rétroaction positive qui existe entre la tension externe, l’élévation de l’activité intracellulaire de Rho et la croissance des fibres de stress et des adhésions focales (Hinz and Gabbiani, 2003). Cette

rétroaction se manifeste également à des échelles subcellulaires. En tournant des billes

magnétiques, accrochées par l’intermédiaire des intégrines à la surface de cellules, on peut observer que la rigidité corticale augmente avec la contrainte appliquée (Wang et al., 1993). La rigidité corticale se renforce suite à l’application de la contrainte et il devient de plus en plus difficile d’imposer un déplacement donné à une bille accrochée aux intégrines (Figure 2.27) (Choquet et al., 1997).

Figure 2.27

En piégeant une bille, recouverte de fibronectine, liée au cytosquelette interne de la cellule par l’intermédiaire des intégrines dans un piège optique, on peut l’empêcher de suivre le flux normal de l’actine vers l’arrière (a).

Mais si on recommence cette expérience un peu plus tard, le lien entre la bille et le cytosquelette s’est renforcé et la bille échappe au piège (b) (Choquet et al., 1997).

n des aspects fonctionnels de ces propriétés du cytosquelette, qui sera omniprésent dans nos reflexions au sujet des expériences présentées, est la capacité des cellules à s’accrocher au substrat et à traduire les caractéristiques physiques (taille, énergie) et

chimiques (nature du ligand) de cet accrochage en une série d’activations enzymatiques

spécifiques à l’intérieur de la cellule.

La transduction d’une association entre un ligand et son récepteur en signaux biochimiques intra-cellulaires est connue et étudiée depuis longtemps (transmission synaptique, réaction immunitaire). La transduction de l’énergie d’adhésion, de l’intensité et de l’orientation de la tension est aujourd’hui encore mystérieuse. La capacité des cellules de réaliser une mécano-transduction est l’objet d’une active recherche à l’interface physique-biologie. Les bases structurales et biochimiques de cette propriété des cellules ont été décrites précédement, au cours de la présentation des adhésions et des fibres de stress. Ce paragraphe regroupe quelques observations expérimentales de ce mécanisme chez les cellules adhérentes et les conséquences physiologiques à l’échelle cellulaire.

Des canaux ioniques, sensible à la tension dans la membrane, participent à la réaction de ce

es. Cette réaction à la contrainte est inhibée si les tyrosi

inte mécanique. Elles induisent des ascades de signalisations qui contrôlent d’autres recrutements locaux et le renforcement du cytos

adsky et al., 2003) pour une revue très complète des voies de signalisation associées à la sensation des contraintes méca

Figure 2.27 Visualisation de l’activation locale de Src par F surface puis tirée (gauche). Cela induit une vague d’activation vague n’apparaît pas si l’actine est détruite par la cytochalasine

llule à une contrainte mécanique. En effet, la stimulation mécanique de billes (torsion) ancrées à la surface des cellules induit, quasi-instantanément, une entrée de calcium par l’ouverture de ces canaux ioniques. Cette entrée de calcium est suivie d’une accumulation d’actine autour de la zone contrainte et d’une augmentation locale de la rigidité du cortex due à l’action du calcium sur les myosin

nes kinases ne sont plus fonctionnelles (Glogauer et al., 1997).

Même si les canaux calciques dont la perméabilité est sensible à la tension semblent participer à la stimulation de la réponse intracellulaire, d’autres mécanismes sont impliqués. Le simple étirement de cytosquelette nu, sans membrane, induit le recrutement de FAK et CAS sur les adhésions ce qui démontre directement qu’elles sont capables de lier sélectivement certaines protéines selon la contrainte à laquelle elles sont soumises (Sawada and Sheetz, 2002). Ces associations de protéines au niveau des adhésions sont les principales composantes de la transduction biochimique de la contra

c

quelette (Geiger and Bershadsky, 2001; Geiger, 2002).

Il semble que ce soit les tyrosines kinases de la famille Src qui soient majoritairement responsables de ce type de réponse (voir (Bersh

niques). Des systèmes expérimentaux de stimulation, à l’aide de membrane souples couplées à des moteurs, permettent d’étirer périodiquement des cellules et d’observer leur réponse. En réponse à ce type de stimulation, Src est activé et se lie à l’actine par l’intermédiaire de AFAP (actin filament associated protein) (Han et al., 2004). L’inhibition de Src empêche le recrutement local du cytosquelette près de la zone stimulée (Mack et al., 2004). L’activation locale de Src en réponse à une contrainte mécanique locale se propage en une vague le long du cortex sur de grandes distances dans la cellule. Cette translocation sur de grandes distances passe par l’actine et les microtubules (Wang et al., 2005). Src semble donc impliqué à la fois dans le mécanisme sensoriel local mais aussi dans sa propagation dans l’ensemble de la cellule le long du cortex (et non par diffusion dans le cytoplasme).

RET. Une bille est collée à la de Src le long du cortex. Cette ce qui montre que l’actine est

Tenségrité

anique entre la traction par l’actine et la pression par les microtubules a été proposé par Donald E. Ingber sous le nom de tens

’action des microtubules sur la contractilité peut également être interprétée comme une contribution purement mécanique : la précontrainte cellulaire (Ingber, 2003a). Les microtubules, ayant une grande longueur de persistance par rapport à la taille de la cellule (plusieurs millimètres) et une rigidité importante par rapport au reste du cytosquelette, pousseraient sur la membrane ce qui réduiraient en apparence la tension acto-myosique. Leur dépolymérisation détruirait cet équilibre et serait visible par l’augmentation de la contrainte sur le substrat (Stamenovic et al., 2002). Ce concept d’équilibre méc

égrité.

Figure 2.28 Tenségrité selon D.E. Ingber Les cables d’actine en tension compense la pression exercée par les microtubules.

Cette dénomination a été emprunté à Buckminster Fuller, architecte constructeur des structures géodésiques ou dômes tensintègres, dans lesquels le poids de la structure qui fait pression sur les bord (rôle des microtubules) est équilibré par des barres internes mise sous tension (rôle de l’actine).

Un tel rôle mécanique pour les microtubules n’a pas été démontré. La dynamique intracellulaire des microtubules ne semble pas permettre à un grand nombre de microtubules de pousser jusqu’au flambage sur la membrane. De plus, dans des cellules en culture comme celles dans lesquelles ont été faites ces expériences, le réseau de microtubules est tridimensionnel, alors que la tension développée dans les fibres de stress accrochées au substrat rigide se fait principalement à deux dimensions (les contraintes corticales mises en jeu en dehors du contact avec le substrat sont quatre fois plus faibles que celles développées ar les fibres de stress (Wang et al., 2002b)). Comment un système à deux dimensions peut-il

équil ultures

cellu réduit

consi ingo et

al., 2 es, actine et microtubules, deviennent

idim nsionnels, les architectures observées à deux dimensions n’ont plus lieu d’être. Le p

ibrer la précontrainte exercée dans les trois dimensions ? Le passage dans des c laires 3d (gels de collagène ou sandwich de film de polyacrylamide)

dérablement la tension corticale et les cellules étalées deviennent allongées (Ben 04). Ceci montre que si les deux systèm

0 e tr

système expérimental utilisé pour démontrer le rôle de la tenségrité (culture sur substrat fide) n’est donc pas particulièrement bien adapté.

nt d’autres modèles, basés sur le niveau d’activation de Rho ou les boucles de rétroaction mise en place au cours de la mécanotransduction, pourraient tout à fait expliquer ces observations. La conclusion la plus intéressante de cette théorie est qu’un changement de contrainte local se répercute dans toute l’organisation de la cellule, puisque tout l’édifice se tient lui-même, et que les contraintes ne se transmettent pas uniquement par dissipation visqueuse à travers le cytoplasme mais également le long des câbles d’actine (Ingber, 2003a). Le concept selon lequel la cellule n’est pas un sac visqueux et répond localem

prenant en compte un équilibre mécanique global semb es

tensions dans certaines fibres vient certainement équili

dans le cortex. C’est la formulation d’un équilibre méc par actine-microtubule qui semble plus discutable.

ri

Toutefois, il est intéressant de remarquer que la contrainte corticale, mesurée par la résistance à la torsion de billes sur l’ensemble de la surface de la cellule, est proportionnelle (Wang et al., 2002b) et parallèle (Hu et al., 2004) à la tension développée par les fibres de stress dans le plan du substrat et mesurée avec des substrats flexibles. Une tension locale se propage donc bien de manière directionnelle, et non isotrope, dans le cortex de la cellule. Le fait que l’ensemble des contraintes évolue de concert et que la pression exercée par les microtubules contrebalance une partie de la force exercée par l’actine (à hauteur de 14%) supporte l’hypothèse de la tenségrité.

Cependa

ent tout en tout à fait réel. La distribution d le

brer d’autres contraintes mécaniques anique tension-compression joué

II- L’organisation du cytosquelette d’actine et de la membrane