Mécanique et génétique du développement embryonnaire et tumoral

Farge

Emmanuel Farge Chef d'équipe Tél :

Le groupe « Mécanique et Génétique du Développement Embryonnaire et Tumoral » étudie le rôle des contraintes et déformations mécaniques des structures biologiques à l’échelle macroscopique cellulaire et multi-cellulaire, dans la régulation et la génération de processus biologiques actifs microscopiques à l’échelle moléculaire, incluant l’activation de moteurs moléculaires ou l’expression génique, in vivo. Le groupe se focalise sur le couplage entre contraintes mécaniques et signalisation biochimique en biologie du développement embryonnaire et tumoral. 

Nos travaux vont de la modulation mécanique de l’endocytose de protéines de signalisation comme processus sous-jacent de mécanotransduction régulateur de la trans-différentiation cellulaire (2002), à son rôle comme signal mécanique d’activation de l’invagination du mésoderme dans l’embryon de Drosophile (2009, 2017).

Ils sont aussi basés sur notre découverte de la mécano-sensibilité de la voie β-caténine, impliquée dans l’induction mécanique de la différentiation précoce de l’endoderme antérieur de l’embryon de Drosophile (2003-2008), comme dans la possible origine évolutive de l’émergence du mésoderme dans le dernier ancêtre commun des bilatériens (2013), un processus réactivé de façon anormale comme signal tumorigène dans les cellules saines comprimées par la pression de croissance tumorale, in vivo (2015).

De nos recherches les plus récentes à nos premières recherches :

 

La gastrulation est activée mécanotransductionellement par de faibles fluctuations de forme cellulaires embryonnaires.

La gastrulation consiste en la formation de larges domaines de tissus qui internalisent l’embryon précoce souvent sous forme de tubes, et qui vont constituer les organes internes de l’animal adulte, tels que le tube digestif, ou encore le cœur, les muscles ou les reins et les poumons pour les organismes les plus complexes. Dans l’embryon de Drosophile, le premier de ces tubes, le mésoderme, donnera naissance à tous les organes internes de l’organisme adulte, excepté le tube digestif. Il se forme grâce à la stabilisation apicale (à la surface cellulaire extérieur de l’embryon) du moteur moléculaire Myo-II, ayant pour fonction de contracter la surface externe du tissu, et par là même d’induire la courbure du tissu vers l’intérieur pour former le tube de tissu interne mésodermal. Cette contraction se fait en deux temps. Dans un premier temps, les cellules contractent de façon erratique et instable, du fait de l’arrivée erratique et instable de spots de Myo-II sur les apex cellulaires. Puis, elles se contractent de façon stable et coordonnée, du fait de la stabilisation des spots de Myo-II qui arrivent progressivement sur les apex cellulaires.

Nous avons montré que les contraintes mécaniques développées par les fluctuations de forme cellulaires activent la stabilisation apicale de la Myo-II, donc déclenchent le processus actif d’invagination du mésoderme (Mitrossilis et al, Nature Communications 2017).

Figure 1 : Mimer magnétiquement les pulsations cellulaires dans un embryon défective rétablit l’invagination du mésoderme. A gauche – les pulsations magnétiquement induites (en bas) dans le tissu mutant qui ne pulse pas (en haut) provoquent A droite – l’invagination active du mésoderme dans un mutant qui est bien connu pour ne pas invaginer.

Pour ce faire, nous avons utilisé un mutant dont les cellules du mésoderme ne fluctuent plus, et ne montre de fait plus d’activation de l’invagination du mésoderme. Nous y avons mimé les fluctuations de forme des apex cellulaires dont l’amplitude est de l’ordre de 500 nanomètres seulement, par voie magnétique. En effet, nous avons injecté dans les cellules du mésoderme des liposomes magnétiques et avons approché à quelques petits microns un réseau de micro-aimants dont la taille individuelle, de 10 microns, est de l’ordre de la taille des cellules individuelles. Le champ magnétique local de ces micro-aimants ayant la particularité d’être modulable dans le temps, nous avons fait osciller les champs magnétiques micrométriques locaux, de telle sorte que les apexs des cellules se mettent à pulser, exactement comme dans l’embryon non muté (Figure 1-gauche). En réponse à cette stimulation mécanique, nous avons observé la stabilisation apicale de la Myo-II et le déclenchement de l’invagination du mésoderme (Figure 1-droite). Cette stimulation se fait par l’activation mécanique de réactions biochimiques, que nous avons identifié comme étant l’activation de la voie de signalisation Fog.

Qui plus est, nous avons montré, par voie magnétique encore, que les déformations mécaniques, cette fois provoquées par l’invagination du mésoderme sur les cellules de l’endoderme du pole postérieur de l’embryon (futur tube gastrique postérieur de l’embryon), y déclenchent la stabilisation apicale de la Myo-II et initient la formation du tube gastrique.

 

Tumorigenèse : induction mécanique de la tumorigenèse dans les cellules saines comprimées, en réponse aux contraintes mécaniques développées par la croissance tumorale in vivo.

Nous avons trouvé l’induction mécanique de l’activation de la β-caténine et de l’expression des oncogènes sous contrôle, dans l’initiation de la tumorigenèse à la fois dans le colon pré-tumoral et le colon normal de souris, en réponse à la pression de croissance tumorale in vivo (M-E Fernandez-Sanchez, S. Barbier et al, Nature 2015, – Figure 2 ).

Figure 1. Induction mécanique de la voie tumorale β-caténine dans les cellules épithéliales saines comprimées par la pression de croissance tumorale, in vivo. A gauche- Insertion de liposomes ultra-magnétiques dans les cellules du tissu conjonctif des cryptes du colon (en orange), soumises à un gradient de champ magnétique, permettant de mimer la pression de croissance tumorale de 1kPa durant quelques semaines à quelques mois. A droite- Activation mécanique résultante, de la phosphorylation du site Y654 de la béta-caténine (au centre des cryptes), menant à son relargage des jonctions au cytoplasme puis au noyau, puis à l’expression des oncogènes cibles comme c-Myc.
Figure 2. Induction mécanique de la voie tumorale β-caténine dans les cellules épithéliales saines comprimées par la pression de croissance tumorale, in vivo. A gauche- Insertion de liposomes ultra-magnétiques dans les cellules du tissu conjonctif des cryptes du colon (en orange), soumises à un gradient de champ magnétique, permettant de mimer la pression de croissance tumorale de 1kPa durant quelques semaines à quelques mois. A droite- Activation mécanique résultante, de la phosphorylation du site Y654 de la béta-caténine (au centre des cryptes), menant à son relargage des jonctions au cytoplasme puis au noyau, puis à l’expression des oncogènes cibles comme c-Myc.

Pour ce faire, nous avons mimé la pression de croissance tumorale de 1kPa en incluant des liposomes ultra-magnétiques dans les cellules mésenchémiales du tissu conjonctif des cryptes du colon, auxquels nous avons appliqué un gradient de champ magnétique par insertion d’un aimant cylindrique millimétrique en sous-cutané face au colon. Cette contrainte a mené à l’activation de la phosphorylation du site Y654 d’un pool de béta-caténine inducteur de son relargage des jonctions vers le cytoplasme. Elle a de plus mené à la phosphorylation du site Ser9 de la GSK3b permettant la translocation de la beta-caténine cytoplasmique dans le noyau, puis à l’expression des gènes cibles tumoraux tels que c-Myc. Le même résultat a été observé dans les cellules des cryptes non tumorales comprimées par les cryptes tumorales hyper-prolifératives (exprimant Notch), dans un modèle de souris récapitulant le processus de progression tumorale.

 

Evo-Devo : une origine évolutive mécano-transductionelle à l’émergence du mésoderme dans le dernier ancêtre commun des animaux complexes, les bilatériens.

Figure 2. Conservation de l’induction mécanique de l’expression des gènes de différentiation précoce du mésoderme : une origine mécano-transductionelle à l’émergence du mésoderme dans le dernier ancêtre commun des bilatériens ? A gauche- Induction mécanique de l’expression des tous premiers gènes de différentiation du mésoderme, brackury, dans le poisson zèbre, et Twist , dans l’embryon de Drosophile, induite de façon conservée par l’activation de la phosphorylation du site conservé Y654 de la beta-catenin (Y667 chez la drosophile), menant à son relargage des jonction et à sa translocation nucléaire en réponse au tout premier mouvement morphogénétique de l’embryogenèse, dans les deux espèces. A droite- Proposition de l’émergence mécanotransductionelle du mésoderme en réponse au tout premier mouvement morphogénétique de l’ancêtre commun du vertébré poisson zèbre et de l’arthropode Drosophile, i.e dans le dernier ancêtre commun des bilatériens, il y a 570 millions d’années.
Figure 3. Conservation de l’induction mécanique de l’expression des gènes de différentiation précoce du mésoderme : une origine mécano-transductionelle à l’émergence du mésoderme dans le dernier ancêtre commun des bilatériens ? A gauche- Induction mécanique de l’expression des tous premiers gènes de différentiation du mésoderme, brackury, dans le poisson zèbre, et Twist , dans l’embryon de Drosophile, induite de façon conservée par l’activation de la phosphorylation du site conservé Y654 de la beta-catenin (Y667 chez la drosophile), menant à son relargage des jonction et à sa translocation nucléaire en réponse au tout premier mouvement morphogénétique de l’embryogenèse, dans les deux espèces. A droite- Proposition de l’émergence mécanotransductionelle du mésoderme en réponse au tout premier mouvement morphogénétique de l’ancêtre commun du vertébré poisson zèbre et de l’arthropode Drosophile, i.e dans le dernier ancêtre commun des bilatériens, il y a 570 millions d’années.

Nous avons trouvé que l’activation mécanique de la voie béta-caténine, induite de façon anormale dans le processus de développement tumoral, est une propriété ancestrale, probablement à l’origine de l’émergence de patterns de différentiation embryonnaires chez les organismes anciens, tels que l’émergence du mésoderme chez le dernier ancêtre commun des bilatériens. Nous avons en effet trouvé la conservation de l’induction mécanique de l’expression des gènes de différentiation précoce du mésoderme par le tout premier mouvement morphogénétique de l’embryogenèse, dans le poisson zèbre (vertébré) et dans la Drosophile (arthropode). Cette induction mécanique est initiée par l’activation mécanique de la phosphorylation du site Y654 de la béta-caténine inhibant son interaction avec la E-cadhérine, menant à son relargage dans le cytoplasme et le noyau, puis à l’expression des gènes cibles brackury and twist, premiers gènes de différentiation précoce du mésoderme (Figure 3).

Or, l’origine évolutive de l’émergence du mésoderme reste aujourd’hui une question ouverte importante de l’Evo-Devo. Nos résultats suggèrent que la phosphorylation du site Y654 de la béta-catenine en réponse au tout premier mouvement morphogénétique de l’embryogenèse soit à l’origine de l’émergence du mésoderme dans l’ancêtre commun des bilatériens, in y a 570 millions d’années (Bouclet, Brunet et al, Nature Comm. 2013).

 

Biologie du développement: couplage mécano-génétique et mécano-protéique réciproque dans la régulation du développement embryonnaire à la gastrulation.

Figure 3. Induction mécanique de Twist dans la détermination de l’endoderme antérieur précoce, en réponse au mouvement morphogénétique de convergence extension de la gastrulation dans l’embryon de Drosophile. A Induction mécanique ectopique de l’expression de Twist-lacZ en réponse à la déformation uni-axiale globale de 10% de l’axe dorso-ventral de l’embryon de Drosophile. B Rétablissement de l’expression de Twist par indentation des cellules de l’endoderme antérieur dans un embryon mutant de bcd, nos tsl défectif en convergence extension et compression de ces cellules. C- En haut- Schéma de l’expérience d’injection de nano-particules magnétiques pour rétablir la compression des cellules de l’endoderme antérieur, dans un embryon sauvage ablaté défectif en compression. En bas- Réactivation de l’expression de Twist dans les cellules de l’endoderme antérieur comprimée par la pince acoustique, dans l’embryon ablaté défectif en compression et expression de Twist dans ces cellules. Le fort niveau d’expression de Twist rétabli est requis et vital pour la différentiation de l’intestin antérieur de la larve de Drosophile (Desprat et al , Dev Cell, 2008).
Figure 4. Induction mécanique de Twist dans la détermination de l’endoderme antérieur précoce, en réponse au mouvement morphogénétique de convergence extension de la gastrulation dans l’embryon de Drosophile. A Induction mécanique ectopique de l’expression de Twist-lacZ en réponse à la déformation uni-axiale globale de 10% de l’axe dorso-ventral de l’embryon de Drosophile. B Rétablissement de l’expression de Twist par indentation des cellules de l’endoderme antérieur dans un embryon mutant de bcd, nos tsl défectif en convergence extension et compression de ces cellules. C– En haut- Schéma de l’expérience d’injection de nano-particules magnétiques pour rétablir la compression des cellules de l’endoderme antérieur, dans un embryon sauvage ablaté défectif en compression. En bas- Réactivation de l’expression de Twist dans les cellules de l’endoderme antérieur comprimée par la pince acoustique, dans l’embryon ablaté défectif en compression et expression de Twist dans ces cellules. Le fort niveau d’expression de Twist rétabli est requis et vital pour la différentiation de l’intestin antérieur de la larve de Drosophile (Desprat et al , Dev Cell, 2008).

Le développement embryonnaire consiste en la coordination de processus multi-cellulaires de différentiation cellulaire, et de morphogenèse biomécanique. Ces dernières décennies, le rôle du moteur moléculaire Myosine-II dans l’activation des processus de morphogenèse biomécanique a été caractérisé comme étroitement régulé par l’expression des gènes du développement de différentiation.

Nous avons révélé l’existence d’une régulation inverse, de l’activation de l’expression du gène de différentiation Twist (Figure 4) et de la relocalisation active de la Myosin-II (Figure 4), par les contraintes mécaniques développées par les mouvements morphogénétiques de la gastrulation. Cette régulation est générée par les processus de mécano-transduction impliquant l’activation mécanique de la beta-caténine et de la voie de signalisation Fog (associé à l’inhibition mécanique de l’endocytose de Fog, voir paragraphe suivant), respectivement.

Nous avons utilisé les outils expérimentaux (outils biophysiques et génétiques de modulation des mouvements morphogénétiques) (Figure 4), comme les outils théoriques (simulations intégrant les connaissance génétiques de la régulation de la morphogenèse) (Figure 5), pour découpler les paramètres de contrôle génétiques et mécaniques, dans la régulation de l’expression de Twist et de la localisation active de la Myosine-II. En particulier, nous avons mis en place une méthode de pinces magnétiques pour évaluer et contrôler les forces physiologiques impliquées dans la morphogenèse, afin de mimer les mouvements morphogénétiques endogènes de l’embryogenèse de l’intérieur du tissu embryonnaire vivant (Figure 5).  Farge, Curr. Biol., 2003; Desprat et al, Dev Cell, 2008; Pouille et al Phys. Biol. 2008;  Ahmadi, Pouille et al, Science Signalling, 2009.

Figure 4. Activation mécanique de l’invagination du mésoderme dans les mutants de snail défectifs en invagination. a- Indentation d’un mutant de snail 5 minutes après la fin de la cellularisation. b- Réactivation à la fois de la stabilisation apicale de la Myo-II et de l’invagination du mésoderme, par indentation douce (de 5 microns) du mésoderme d’embryons mutants de sna.
Figure 5. Activation mécanique de l’invagination du mésoderme dans les mutants de snail défectifs en invagination. a- Indentation d’un mutant de snail 5 minutes après la fin de la cellularisation. b- Réactivation à la fois de la stabilisation apicale de la Myo-II et de l’invagination du mésoderme, par indentation douce (de 5 microns) du mésoderme d’embryons mutants de sna.

 

Figure 5. Simulation hydrodynamique de la gastrulation de l’embryon en réponse à la constriction apicale des cellules du mésoderme. a- Avant la gastrulation (les flèches rouges délimitent le mésoderme), b- Invagination en réponse à la constriction apicale dans mésoderme, régulée par l’élasticité de la membrane et du cortex cellulaire, et par les flux hydrodynamiques intra et extra;
Figure 6. Simulation hydrodynamique de la gastrulation de l’embryon en réponse à la constriction apicale des cellules du mésoderme. a- Avant la gastrulation (les flèches rouges délimitent le mésoderme), b- Invagination en réponse à la constriction apicale dans mésoderme, régulée par l’élasticité de la membrane et du cortex cellulaire, et par les flux hydrodynamiques intra et extra;

 

Endocytose: force motrice de l’endocytose et modulation mécanique de l’endocytose comme processus mécanotransductionnel de transdifférentiation cellulaire.

Figure 6. Trans-différentiation cellulaire mécaniquement induite par l’inhibition de l’endocytose de protéines signales provoquées par la tension membranaire et l’aplatissement de la membrane plasmique. A- La tension membranaire aplatit les membranes, menant ainsi à l’inhibition de l’endocytose de protéines signales sécrétées. Dans le cas où l’endocytose est requise pour inhiber l’activation du signal, le blocage mécanique de l’endocytose amplifie, voire déclenche, le signal. B- C’est le cas pour l’inhibition de l’endocytose de BMP2 (a,b), qui mène à l’accroissement, voir au déclenchement, de la trans-différentiation myoblaste-ostéoblaste, révélée, entre autres, par l’expression de JunB (c,d).
Figure 7. Trans-différentiation cellulaire mécaniquement induite par l’inhibition de l’endocytose de protéines signales provoquées par la tension membranaire et l’aplatissement de la membrane plasmique. A- La tension membranaire aplatit les membranes, menant ainsi à l’inhibition de l’endocytose de protéines signales sécrétées. Dans le cas où l’endocytose est requise pour inhiber l’activation du signal, le blocage mécanique de l’endocytose amplifie, voire déclenche, le signal. B- C’est le cas pour l’inhibition de l’endocytose de BMP2 (a,b), qui mène à l’accroissement, voir au déclenchement, de la trans-différentiation myoblaste-ostéoblaste, révélée, entre autres, par l’expression de JunB (c,d).

Historiquement, la première thématique étudiée dans le groupe a été celle des propriétés motrices des membranes biologiques relevant de la physique de la matière molle  dans la vésicularisation des membranes initiant le processus d’endocytose de la membrane plasmique (Rauch et al, Bioph. J, 2000), ainsi que le rôle de l’inhibition mécaniquement induite de l’endocytose de signaux morphogènes dans l’induction mécanique de la trans-différentiation cellulaire (Figure 7, Rauch et al, Am. J. Cell Phys, 2002)

Publications clés

Année de publication : 2017

Démosthène Mitrossilis, Jens-Christian Röper, Damien Le Roy, Benjamin Driquez, Aude Michel, Christine Ménager, Gorky Shaw, Simon Le Denmat, Laurent Ranno, Frédéric Dumas-Bouchiat, Nora M Dempsey, Emmanuel Farge (2017 Jan 24)

Mechanotransductive cascade of Myo-II-dependent mesoderm and endoderm invaginations in embryo gastrulation.

Nature communications : 13883 : DOI : 10.1038/ncomms13883

Année de publication : 2015

Maria-Elena Fernandez-Sanchez, Thibaut Brunet, Jens-Christian Röper, Emmanuel Farge (2015 Sep 24)

Mechanotransduction’s impact on animal development, evolution, and tumorigenesis.

Annual review of cell and developmental biology : 373-97 : DOI : 10.1146/annurev-cellbio-102314-112441
María Elena Fernández-Sánchez, Sandrine Barbier, Joanne Whitehead, Gaëlle Béalle, Aude Michel, Heldmuth Latorre-Ossa, Colette Rey, Laura Fouassier, Audrey Claperon, Laura Brullé, Elodie Girard, Nicolas Servant, Thomas Rio-Frio, Hélène Marie, Sylviane Lesieur, Chantal Housset, Jean-Luc Gennisson, Mickaël Tanter, Christine Ménager, Silvia Fre, Sylvie Robine, Emmanuel Farge (2015 Jul 2)

Mechanical induction of the tumorigenic β-catenin pathway by tumour growth pressure.

Nature : 92-5 : DOI : 10.1038/nature14329

Année de publication : 2013

Thibaut Brunet, Adrien Bouclet, Padra Ahmadi, Démosthène Mitrossilis, Benjamin Driquez, Anne-Christine Brunet, Laurent Henry, Fanny Serman, Gaëlle Béalle, Christine Ménager, Frédéric Dumas-Bouchiat, Dominique Givord, Constantin Yanicostas, Damien Le-Roy, Nora M Dempsey, Anne Plessis, Emmanuel Farge (2013 Jun 21)

Evolutionary conservation of early mesoderm specification by mechanotransduction in Bilateria.

Nature communications : 2821 : DOI : 10.1038/ncomms3821

Année de publication : 2011

Benjamin Driquez, Adrien Bouclet, Emmanuel Farge (2011 Nov 25)

Mechanotransduction in mechanically coupled pulsating cells: transition to collective constriction and mesoderm invagination simulation.

Physical biology : 066007 : DOI : 10.1088/1478-3975/8/6/066007

Année de publication : 2009

Philippe-Alexandre Pouille, Padra Ahmadi, Anne-Christine Brunet, Emmanuel Farge (2009 Apr 9)

Mechanical signals trigger Myosin II redistribution and mesoderm invagination in Drosophila embryos.

Science signaling : ra16 : DOI : 10.1126/scisignal.2000098
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