Soutenance de thèse de Anaïs BAILLES

La création de la forme des organismes pendant le développement nécessite que les cellules se déforment, migrent, se divisent ou meurent d’une manière orchestrée. Pour ce faire, un des mécanismes principaux est le remodelage du cytosquelette, basé en particulier sur la contraction des réseaux de filaments d’actine sous l’effet d’un moteur moléculaire : la myosine II non-musculaire (MyoII). Il n’est pas encore bien compris comment ces comportements cellulaires sont contrôlés spatialement et temporellement à l’échelle du tissu et de l’organisme. La transmission et la sensation de forces mécaniques serait une manière efficace de coupler les comportements mécaniques des cellules. Pendant mon doctorat, j’ai évalué cette possibilité en étudiant la morphogenèse de l’endoderme postérieur présomptif de Drosophila, qui implique un important remodelage épithélial par l’invagination et le mouvement dorsal et antérieur des cellules. L’invagination de l’endoderme est causée par la contraction apicale des cellules, qui dépend de Rho1 et de MyoII, mais le mécanisme à la base de sa déformation polarisée est inconnu. Nous avons d’abord confirmé par des moyens génétiques que le mouvement dorsal et antérieur de l’endoderme est généré de manière autonome par ce tissu. En imageant en vidéo-microscopie des rapporteurs fluorescents de MyoII et de l’activité de Rho1, nous avons ensuite découvert que le domaine d’activation de MyoII n’est pas polarisé avant la déformation, mais qu’après la déformation une onde de forte activation de Rho1 et de MyoII se propage à l’échelle de la cellule et du tissu et sous-tend l’invagination asymétrique de l’endoderme postérieur. MyoII est d’abord activée dans la partie médio-apicale des cellules d’un domaine spatialement défini correspondant au primordium de l’endoderme où Fog, un ligand de récepteurs GPCR, est exprimé. Par la suite, l’activation apicale de MyoII se propage à travers l’épithélium dorsal à la vitesse constante de 2.2 ± 0.2 µm/min. Nous avons montré que l'onde de MyoII n’est définie ni par la quantité de Fog ni par son profil d’expression, indiquant que la dynamique de l'onde n’est pas gouvernée par la diffusion de Fog depuis une source. A la place, le maintien de l’activité de MyoII est nécessaire pour l’activation intracellulaire de Rho1 et sa propagation à travers le tissu, montrant la nécessité d’une boucle de rétroaction positive locale et d’un couplage spatial fournis par l’activité de MyoII. Par des simulations d’un matériau viscoélastique nous avons trouvé qu’une boucle de rétroaction positive basée sur la tension fourni une amplification et un couplage spatial et pourrait générer le phénomène observé. En effet, en changeant l’environnement mécanique du tissu avec des moyens soit génétiques soit mécaniques nous avons montré une sensibilité mécanique des cellules sans précédent, résultant en une augmentation de l’activité de MyoII et une diminution drastique de la vitesse de l'onde de MyoII. Pour étudier la base cellulaire de la boucle de rétroaction, nous avons ensuite examiné la complexité en 3D du tissu et le cytosquelette d’actine à haute résolution. Nous avons trouvé que l’invagination entraîne un cycle mécanique en 3D qui implique chez les cellules voisines une contraction basale, un étalement du cortex apical sur la membrane vitelline, un couplage par la friction entre le cortex et la membrane vitelline, une torsion des cellules selon l’axe apico-basal, et leur dé-adhésion ; cycle qui corrèle avec l’activation de MyoII et sa propagation. La contraction des cellules en conséquence de l’activation de MyoII ajoute de nouvelles cellules dans le pli de l’invagination et réitère le cycle dans la rangée de cellules voisines. Ainsi ce travail a révélé que la morphogenèse tissulaire observée émerge d’une initiation locale par transcription et de la propagation contrôlée mécaniquement d’une onde de déformation cellulaire 3D et de contraction cellulaire.

Generation of organisms shape during development requires cells to deform, migrate, divide or die in a concerted and patterned manner. To do so, one of the main mechanisms is a remodelling of the cytoskeleton, notably based on the contraction of actin filaments networks powered by non-muscle Myosin II (MyoII) motor protein. It is not well understood yet how these cell behaviours are spatially and temporally controlled at the tissue-scale and at the organism-scale. Force transmission and sensation can provide an efficient way to couple cells mechanical behaviour. During my PhD, I addressed this possibility by studying the morphogenesis of the Drosophila presumptive posterior endoderm which involves important epithelial reshaping through invagination and a dorsal anterior movement of cells. Rho1 and MyoII-dependent apical constriction drives invagination of the endoderm, but the mechanisms underlying its polarized deformation are unknown. We first confirmed by genetic perturbations that the dorsal anterior movement of the endoderm is tissue-autonomous. By doing time-lapse microscopy of fluorescent reporters of MyoII and Rho1 activity, we then unravelled that MyoII activation domain is not polarized prior to deformation, but that later a cell and tissue scale wave of high Rho1 and MyoII activation underlies the asymmetric invagination of the posterior endoderm. MyoII is first activated medio-apically in cells within a spatially defined domain corresponding to the endoderm primordium where the GPCR ligand Fog is expressed. Subsequently, apical MyoII activation propagates across the dorsal epithelium at a constant speed of 2.2 ± 0.2 µm/min. We showed that the MyoII wave is set neither by Fog levels nor expression pattern, indicating that wave dynamics are not governed by Fog diffusion from a source. Instead, both intracellular Rho1 activation and intercellular Rho1 propagation across the tissue require sustained MyoII activity, showing the requirement for a local positive feedback and spatial coupling provided by MyoII activity. Through simulations of a contractile viscoelastic material we found that a stress-based positive feedback loop provides both a local amplification and spatial coupling and could generate the observed phenomenon. Indeed, by changing the tissue mechanical environment with both genetic and physical means we evidenced an unprecedented cells mechanical sensitivity, whereby MyoII activity was enhanced in cells and the MyoII wave speed was heavily reduced. To investigate the cellular basis of the feedback loop, we then considered the 3D complexity of the tissue and focused on actin cytoskeleton at high magnification. We found that MyoII-dependent endoderm invagination entrains a 3D mechanical cycle involving neighbouring cells basal narrowing, apical cortex spreading onto the vitelline membrane, frictional coupling of the cortex and the vitelline membrane, cell apicobasal bending, and de-adhesion, that correlates with MyoII activation and propagation within cells. MyoII-dependent cell apical constriction adds new cells in the invaginating furrow and reiterates the cycle in the neighbouring row of cells. Thus this work uncovered that the observed tissue morphogenesis emerges from local transcriptional initiation and a mechanically driven propagating wave of 3D cell deformation and cell contraction.