Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Biologie du Développement

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Tissu,morphogenèse,force,

Keywords

tissu,morphogenesis,force,

Titre de thèse

Mesures mécaniques à travers les échelles en 2D et 3D pendant la morphogenèse épithéliale
Mechanical measurements across scales in 2D and 3D during epithelial morphogenesis

Date

Mercredi 23 Juin 2021 à 14:00

Adresse

IBDM – Institut de Biologie du Développement de Marseille UMR 7288 Case 907 – Parc Scientifique de Luminy 13288 Marseille Cedex 9 – France Levi Montalci

Jury

Directeur de these M. Pierre-François LENNE Institut de Biologie du Développement de Marseille
CoDirecteur de these M. Raphaël CLéMENT Institut de Biologie du Développement de Marseille
Rapporteur Mme Isabelle BONNET Sorbonne Université
Rapporteur M. Cyprien GAY Université de Paris, UFR de Physique, MSC (laboratoire Matière et Systèmes Complexes)
Examinateur Mme Magali SUZANNE Center of Integrative Biology, CBI
Examinateur M. Olivier THEODOLY CNRS

Résumé de la thèse

Au cours du développement, les forces mécaniques provoquent des changements de forme, de position, de taille des cellules et affectent l’expression génique. Malgré l'importance des forces mécaniques, nous manquons encore de moyens efficaces pour les mesurer in vivo dans l'espace et le temps et pour les relier aux changements de forme des cellules et des tissus. Parmi les techniques expérimentales qui ont émergé pour mesurer les forces dans les tissus épithéliaux, l'inférence de force est particulièrement attrayante : elle est non invasive et capable de quantifier les forces agissant aux contacts entre cellules lors des changements de forme et les réarrangements cellulaires. La méthode d'inférence de force consiste à déduire les forces sur la base de la géométrie des cellules dans le plan apical, en faisant l’hypothèse de l’équilibre des forces agissant sur les contacts. Bien que validée dans quelques cas par des mesures d’ablation laser, cette méthode n’a jamais été comparée systématiquement à une autre méthode indépendante de mesure et sur différents tissus. Dans la première partie de cette thèse, j'ai implémenté deux méthodes d'inférence de forces, et les ai validées avec des tissus simulés numériquement. Ensuite, j'ai effectué des comparaisons systématiques de l'inférence de force avec des expériences d'ablation laser dans quatre tissus épithéliaux de deux animaux, la mouche du vinaigre et la caille. Nous montrons que l'inférence de force prédit avec précision la tension à une seule jonction, les schémas de tension dans des groupes stéréotypés de cellules, et les schémas de tension à l'échelle du tissu, dans des conditions de type sauvage et mutant. Nous soulignons sa capacité à déterminer la distribution des forces à différentes échelles à partir d'une seule image, ce qui lui confère un avantage critique par rapport aux techniques perturbatrices telles que l'ablation laser. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent que l'inférence de force est une méthode fiable et efficace pour quantifier l'état mécanique des épithéliums, en particulier à des échelles plus grandes lorsque les tensions et les pressions inférées sont regroupées dans un tenseur de contraintes à gros grain. L'ablation, en tant que méthode de mesure directe de la force dans les études de mécanique tissulaire, nécessite une analyse d'image appropriée. J'ai amélioré l'analyse de l'ablation en simulant l'ablation avec un modèle simplifié. La description mécanique des tissus épihéliaux est souvent 2D alors que ces tissus sont 3D. Si la description 2D est pertinente lorsque les changements de forme préservent les aires apicales, elle est insuffisante lors d’évènements de constriction ou d’extension apicale, présents lors des processus d’invagination éptiheliale par exemple. Dans la seconde partie de ma thèse, j’ai étudié la mécanique associée aux changements de forme cellulaire 3D lors de l’invagination du mésoderme de l’embryon de Drosophile. L’invagination épithéliale commence par une constriction apicale et un allongement cellulaire, conduisant à un épaississement de l'épithélium, suivi d'un raccourcissement cellulaire et d'une expansion basale, ce qui conduit à la formation de fosses ou de plis profonds. Cependant, le mécanisme impliqué dans l'expansion basale de la cellule reste mal connu. Pour comprendre le couplage entre la constriction apicale et l’expansion apicale, j’ai utilisé l’imagerie confocale 3D et l'ablation laser. L’imagerie indique que lorsque la partie apicale de la cellule se contracte, le volume de la cellule reste constant à l'échelle de la minute suggérant que les changements basaux pourraient être une conséquence de la conservation de volume cellulaire. Dans des expériences contrôlées d’ablation laser, j'ai perturbé l'actomyosine apicale, déclenchant l'expansion ou la constriction apicale des cellules, et produisant des changements d’aire basale avec un délai, qui révèle la propagation de la déformation le long de l’axe apico-basal.

Thesis resume

During development, mechanical forces cause changes in shape, position, size and gene expression in cells. Despite the importance of mechanical forces, we still lack an efficient means to measure them in space and time in vivo and therefore to relate them with cell and tissue shape changes. Among the experimental techniques that have emerged to measure forces in epithelial tissues, force inference is particularly appealing. It is non-invasive and allows quantifying forces at cell contacts during cell shape changes and rearrangements. The force inference method consists of inferring forces based on the tissue's apical geometry, with the assumption that forces are balanced at each tri-cellular junction. Although it was compared to laser ablations in a few cases, force inference has never been systematically compared to an independent method in various tissues and model systems. In this thesis work, I first implemented two force inference methods and validated them on numerical, simulated data. Then I conducted systematic comparisons of force inference with laser ablation experiments in four epithelial tissues from two animals, the fruit fly and the quail. We show that force inference accurately predicts single-junction tension, tension patterns in stereotyped groups of cells, and tissue-scale stress patterns, in wild type and mutant conditions. We emphasise its ability to capture the distribution of forces at different scales from a single image, which gives it a critical advantage over perturbative techniques such as laser ablation. Overall, our results demonstrate that force inference is a reliable and efficient method to quantify the mechanical state of epithelia during morphogenesis, especially at larger scales when inferred tensions and pressures are binned into a coarse-grained stress tensor. Ablation, as a direct force measurement method in tissue mechanics studies, necessitates a proper image analysis. I also improved the ablation analysis by simulating ablation with a toy model. The mechanical description of epithelial tissues is essentially 2D, while these tissues are 3D. Suppose 2D descriptions can be relevant for shape changes that preserve the cell's apical area. In that case, it is insufficient for apical expansion or constriction, which typically occurs during epithelial invagination processes. In the second part of my thesis, I have studied the mechanics associated with 3D cell shape changes during the invagination of mesoderm in the Drosophila embryo. The invagination begins with a phase of apical constriction and cell thickening, followed by a phase of thinning and basal expansion, leading to the formation of folds. However, the mechanism implied in the basal expansion remains unclear. To understand the coupling between apical constriction and basal expansion, I used 3D confocal imaging and laser ablation. Imaging shows that when apical contraction occurs, the cell volume is preserved on the minute timescale so that basal expansion could be a consequence of volume conservation. In the laser ablation experiments, I have perturbed the apical actomyosin, leading to either apical expansion of contraction and triggering delayed changes of the basal area, which reveals the propagation of the deformation along the apico-basal axis.