Exploration par simulations numériques de l'auto-organisation du cytosquelette sous conditions géométriquement contrôlées. (Exploration by numerical simulations of cytoskeleton auto-organization)

Le cytosquelette joue un role essentiel dans de nombreux processus cellulaires (division, adhesion, migration, morphogenese.). Un de ses principaux constituants, les filaments d'actine, des polymeres semi flexibles polarises, forme des reseaux dont les architectures specifiques permettent au cytosquelette de realiser ses fonctions physiologiques. Un enjeu majeur en biologie cellulaire est de comprendre comment les cellules peuvent former une telle variete d'organisations a partir de la meme entite de base, les monomeres d'actine. Nous avons decouvert recemment que limiter la nucleation des filaments d'actine a des geometries definies suffit a controler la formation de differentes organisations (Reymann et al, 2010). Neanmoins, les parametres principaux permettant d'expliquer comment ces contraintes geometriques determinent l'organisation collective des filaments n'ont pas ete identifies. Pour comprendre les lois physiques regissant ce phenomene, j'ai developpe des simulations numeriques du systeme experimental en utilisant le logiciel Cytosim. J'ai pu ainsi montrer que la geometrie, les interactions steriques entre filaments, leurs proprietes mecaniques, et l'efficacite de la nucleation sont les parametres cles controlant la formation de structures. Cette etude propose une base solide pour comprendre l'organisation cellulaire de l'actine en identifiant un systeme minimal de composants suffisant pour simuler l'emergence de differentes organisations d'actine (reseau branche, faisceaux de filaments paralleles ou antiparalleles). Avec cet outil, nous pouvons a present predire, etant donnee une geometrie de nucleation, quelles structures en emergeront.Nous avons alors combine nos deux methodes in-vitro et in-silico pour etudier comment le couplage entre l'architecture des reseaux et leur composition biochimique controle la reponse contractile. La connectivite entre les filaments en est un facteur crucial. En effet, un reseau peu connecte se deforme seulement localement, et n'instaure pas de comportement global. Une structure fortement connectee est tres rigide, les moteurs moleculaires ne peuvent donc pas la deformer efficacement. La contraction d'une structure n'est donc possible que pour des valeurs de connectivite intermediaires. L'amplitude de cette contraction est alors determinee par l'organisation des filaments. Ainsi nous avons pu expliquer comment l'architecture mais aussi la connectivite des reseaux gouverne leur contractilite.Finalement, les microtubules sont aussi des acteurs essentiels aux processus cellulaires. Etant longs et rigides, ils servent de senseurs de la forme cellulaire et organisent les organites. Leur distribution spatiale, facteur majeur pour l'organisation cellulaire, est controlee dans un grand nombre de types cellulaires par la position du centrosome, un organite qui nuclee la plupart des microtubules. La capacite du centrosome a trouver le centre de la cellule dans de nombreuses conditions physiologiques est particulierement etonante. Il peut aussi adopter une position decentree lors de processus cellulaires specifiques. Des mecanismes pouvant potentiellement expliquer le positionnement du centrosome ont ete proposes (Manneville et al., 2006; Zhu et al, 2010), mais ce phenomene reste dans sa plus grande partie inexplique. J'ai utilise les simulations pour explorer differents mecanismes pouvant le controler selon differentes conditions. Ces resultats permettent de disposer d'une base theorique pour presumer des mecanismes intervenant dans un systeme donne. Ils peuvent aussi permettre de valider ou refuter des hypotheses sur les phenomenes mis en jeu et aider a l'elaboration de nouveaux systemes experimentaux.Les simulations que j'ai developpees aident ici a etudier des comportements specifiques, en apportant de nouveaux eclairages sur les comportements collectifs du cytosquelette. Elles pourraient etre utilisees comme un outil predictif ou adaptees pour l'etude d'autres systemes experimentaux.