Jean-Léon Maître

Mécanique du développement mammifère

Jean-Léon Maître

Développement et Epigenèse

Nous voulons comprendre comment l’embryon de mammifère se construit. Pour cela, nous étudions comment les forces qui déforment et déplacent les cellules au sein de l’embryon sont produites. Les candidats naturels sont les molécules d’adhésion, qui collent les cellules ensembles, et le cytosquelette, qui pousse et tire sur ces molécules d’adhésion. Nous utilisons des outils biophysiques pour mesurer les forces, de la microscopie à haute résolution pour observer les changements de forme de l’embryon et la génétique pour perturber le système.

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Figure 1. 16-cell stage mouse embryo with the outer cells which will become placental tissue in cyan, and the inner cells that will be come the embryo in red (red: Yap; cyan: Cdx2; white: actin)

Pendant le développement embryonnaire, les cellules utilisent l’information contenue dans le génome pour construire l’organisme. Ceci est accompli par une succession de mouvements morphogénétiques durant lesquels les cellules se divisent, meurent, se déforment et se déplacent. C’est la séquence et la combinaison des mouvements morphogénétiques qui construisent l’architecture spécifique de chaque espèce. Pour comprendre la morphogénèse, nous devons tenir compte de l’évolution, la génétique, la biologie cellulaire et la biophysique. Notre recherche se focalise sur les aspects mécaniques de la morphogénèse des embryons de mammifères.

Morphogénèse de l’embryon préimplantatoire

Le développement préimplantatoire donne naissance au blastocyste qui est composé d’un épithélium squameux enveloppant une cavité et la masse cellulaire interne. Pour former le blastocyste, une séquence de trois mouvements morphogénétiques se produit: la compaction, l’internalisation et la cavitation.

Au stade 8-cellule, la compaction est un processus d’adhésion cellulaire qui arrondi l’embryon. Comme l’arrondissement d’une gouttelette, la compaction résulte de l’action d’une tension de surface. Durant le stade 8-cellule, la tension à la surface des cellules augmente lorsque le cortex d’acto-myosine augmente sa contractilité. Au même moment, l’augmentation de la contractilité des cellules démarre des vagues de contractions périodiques.

Au stade 16-cellule, les blastomères peuvent se retrouver a l’extérieur ou à l’intérieur de l’embryon, entourées par les cellules voisines. La division de 8- à 16-cellule est cruciale dans le positionnement des cellules. La division peut être orientée de façon à pousser une des cellules filles vers l’intérieur de l’embryon. La division peut également être asymétrique en distribuant des molécules distinctes aux deux cellules filles et ainsi leur procurer des propriétés contractiles différentes. Ces différentes propriétés contractiles déclenchent l’auto-organisation des cellules de l’embryon en cellules internes ou externes. Ce positionnement des cellules contrôle leur programme génétique et la différentiation en tissus embryonnaire ou extra-embryonnaire. La mécanique des cellules semble influer sur cette différentiation.

Au stade 32-cellule, une cavité se forme entre les cellules externes et internes. Au départ de ce processus, de multiples cavités se créent puis fusionnent en une seule cavité. Durant la croissance des cavités, les contacts entre les cellules internes et externes se brisent.

Ondes corticales de contractions périodiques

Pendant la morphogénèse, la contractilité d’acto-myosine est souvent un des moteurs principaux des changements de forme des cellules et des tissus. Sur des échelles de temps plutôt longues, ces changements aparaissent continus, mais, en réalité, les contractions qui les contrôlent sont pulsées et se répètent de façon périodique. Il est intéressant de noter que ce phénomène peut être observe chez d’autres animaux que la souris, comme le vers, la mouche et la grenouille.

Ces contractions périodiques sont, en effet, courantes dans le développement animal et peuvent adopter des formes différentes. Chez la souris, les blastomères, dès le stade 8-cellule, créent des ondes corticales de contractions périodiques.

Après une division asymétrique, les ondes corticales de contractions périodiques peuvent être utilisées pour prédire quelle cellule est prédisposée à l’internalisation et à se différencier en tissue embryonnaire. En effet, les cellules qui deviendront extra-embryonnaires ont une contractilité plus faible.

Mesurer les propriétés mécaniques des cellules de l’embryon de mammifère

Des micropipettes peuvent être facilement combinées avec un microscope confocal à haute résolution afin d’établir un rapport entre les propriétés mécaniques et les processus sub-cellulaires. L’aspiration dans une micropipette peut être utilisée pour mesurer la tension de surface ou la viscosité des cellules ou des tissus. Un système à double micropipette permet de mesurer la force de couplage entre les cellules in vitro.

Figure 2. Photo d’un embryon au stade 8-cellule tenu par une micropipette lors d’une experience de cartographie des tensions de surfaces (à gauche). Les tensions de surface γcm sont mesurées séquentiellement pour tous les blastomères de l’embryon en trouvant la pression critique donnant une déformation de taille Rp et en mesurant le rayon de courbure Rc. Les tensions de surface γcm des blastomères en contact sont ensuite utilisés pour calculer les tensions des contact cellulaires γcc en prenant en compte les angles de contact θ.

Mesurer de force de séparation

Le système à double micropipette permet aussi d’estimer les contributions relatives de l’adhésion et la contractilité dans la formation des contacts cellulaires, ainsi que les propriétés élastiques du cortex d’actom-myosine.

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