Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et finement orchestré où les forces mécaniques jouent un rôle crucial dans la morphogenèse. Les cellules embryonnaires, par leurs comportements mécaniques régulés, façonnent les tissus et les organes. Cet article explore comment les variations osmotiques et les forces mécaniques influencent le développement embryonnaire, en considérant les échelles allant des organes aux molécules.
Rôle des Forces Mécaniques dans la Morphogenèse Embryonnaire
Les changements de forme significatifs observés pendant l’organogenèse sont principalement générés par les cellules de l’embryon. Le comportement mécanique de ces cellules doit donc être étroitement régulé pour produire l’architecture tissulaire appropriée. Les effets mécaniques se manifestent à différentes échelles : des organes aux tissus, puis aux cellules et enfin aux éléments du cytosquelette.
Une approche multi-échelle de la biomécanique est essentielle pour comprendre comment les forces subies par un organisme sont transmises à ses organes, tissus et cellules. Cette transmission détermine l’adaptation structure-fonction multi-échelle du cytosquelette, des cellules, des tissus et des organes à l’environnement mécanique dynamique de l’organisme.
Adhérence Focale et Signalisation Mécanique
Au niveau moléculaire, les complexes d’adhérence focaux assurent la signalisation de l’extérieur vers l’intérieur et lient mécaniquement la rigidité tissulaire (notamment de la matrice extracellulaire) à la dynamique du cytosquelette, via les interactions avec les protéines adaptatrices. Les signaux mécaniques, transduits sous forme de dynamique de l’actine et des microtubules, déterminent la forme cellulaire et la génération de forces, ce qui entraîne un équilibre de tension à l’échelle tissulaire et à d’autres échelles de manière intégrée.
Même en dehors du développement, les cellules épithéliales sont capables d’ajuster de manière autonome leurs propriétés mécaniques et biochimiques en réponse à des stimuli mécaniques pour éviter une accumulation excessive de contraintes susceptibles de perturber l’intégrité structurelle de l’épithélium.
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Microscopie à Force Atomique (AFM)
La microscopie à force atomique (AFM) est souvent utilisée dans les études de biomécanique. Contrairement aux microscopes optiques traditionnels qui utilisent la lumière, l’AFM fonctionne en « sondant » la surface d’un échantillon. Une pointe extrêmement fine (de l’ordre du nanomètre), fixée à un levier souple, balaie la surface à l’échelle de l’atome. Les forces qui s’exercent entre la pointe et les atomes de l’échantillon déforment le levier. Le modèle de Hertz décrit la mécanique du contact entre un indenteur (comme la pointe d’un AFM) et un matériau déformable (comme une cellule). Le module de Young (E) est une mesure de la rigidité ou de l’élasticité d’un matériau.
Le Cytosquelette : Pilier Structurel et Dynamique Cellulaire
Le cytosquelette est un réseau dynamique de filaments protéiques (filaments d’actine, microtubules et filaments intermédiaires) qui assure le soutien structurel, contrôle la forme des cellules et assure la génération et la transmission de force au sein des cellules. La morphogenèse tissulaire est déterminée par des déformations cellulaires locales essentiellement dépendantes des réseaux contractiles d’actomyosine.
Rôle de la Ceinture d’Adhérence et de la Constriction Apicale
La constriction apicale dépend des interactions entre l’actine et la myosine. Des régulateurs de l’actine et de la myosine sont ainsi nécessaires pour la fermeture de la plaque neurale.
Au stade initial, les cellules du neuroectoderme sont disposées en épithélium avec des ceintures d’adhérence riches en complexes d’actine-myosine à leur pôle apical. Sous l’effet d’une contraction apicale médiée par l’actomyosine, les cellules présentent une déformation qui génère une courbure du tissu. Ce mécanisme de constriction apicale induit une invagination du neuroectoderme. La fusion des plis neuraux au niveau de la ligne médiane permet la fermeture du tube neural. Les ceintures d’adhérence se repositionnent pour former une nouvelle jonction apicale autour de la lumière du tube neural. Ce remodelage tissulaire repose sur la coordination spatio-temporelle de forces mécaniques intrinsèques, pilotées par la dynamique du cytosquelette et des jonctions cellulaires.
Tensions Mécaniques dans les Cellules de l’Épiblaste
La tension mécanique est forte dans la région apicale de l’épiblaste. Une immunolocalisation de SHROOM2 est réalisée. Il s’agit d’une protéine qui se lie aux microfilaments d’actine, à la myosine et à ZO-1 qui est présente dans les jonctions serrées. On observe son accumulation spécifique dans la région apicale de l’épiblaste, renforçant la solidité et la contractilité de cette région.
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Microfilaments d'Actine et Morphogenèse Cardiaque
Les microfilaments d’actine sont impliqués dans de nombreux changements de forme. Par exemple, lors de sa morphogenèse, le cœur passe d’un tube droit à un tube en forme de C, ce qui constitue la première preuve d’asymétrie gauche-droite chez l’embryon. La formation d’une boucle en C consiste en deux composantes de déformation principales : la flexion ventrale et la rotation dextre.
Après 6 h, les cœurs témoins présentent une progression de la formation de la boucle cardiaque, mais les cœurs traités ne présentent aucune progression au-delà de la morphologie initiale au moment de l’application.
Mouvements Cellulaires lors de la Gastrulation
Certains mouvements de la gastrulation chez l’oiseau sont contrôlés par la contraction graduelle d’un anneau d’actomyosine supracellulaire à grande échelle localisé entre les territoires embryonnaire et extraembryonnaire. La propagation de ces forces est rendue possible par une réponse du disque embryonnaire épithélial qui est similaire à celle d’un fluide. Un modèle mathématique simple de mouvement fluidique provoqué par un anneau de tension est capable de modéliser les mouvements « en vortex » qui accompagnent la formation de la ligne primitive.
On distingue de part et d’autre de la zone où va s’allonger la ligne primitive le mouvement « en vortex » des cellules. Des études complémentaires montrent que alors que les mouvements dans l’épiblaste étaient auparavant interprétés comme une conséquence passive de la formation de la ligne primitive, les deux évènements font en réalité partie d’un processus plus large, qui est provoqué par des forces de tension tout au long de l’interface entre l’épiblaste embryonnaire et les tissus extraembryonnaires. Des faisceaux d’actomyosine supracellulaires agissent à cette interface comme des cordons de bourse que l’on referme et qui crée la force générant ces mouvements.
Rigidité Tissulaire et Développement de l'Œil
Un autre exemple est apporté par le développement de l’oeil de la drosophile et la mise en place de sa courbure durant la métamorphose. À 24h de développement pupal, les cellules pigmentaires internes de l’œil (IOPCs) sont « molles » et la rétine présente une morphologie variable, caractérisée par une faible rigidité tissulaire. Après transmission de tensions dans le réseau cellulaire par les mouvements morphogénétiques voisins, l’expression de la E-cadhérine (E-cad) et l’activation de la kinase ROCK (Rok) stimulent la contractilité de l’actomyosine, ce qui augmente la tension dans les IOPCs. À 40h de développement pupal, les IOPCs deviennent « rigides », ce qui accroît la rigidité globale du tissu et permet le mise en place de la courbure rétinienne.
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Mesure de la Force Actine-Myosine
On peut mesurer directement la force générée par un cycle d’interaction entre l’actine et la myosine. À l’aide de pinces optiques, on place un microfilament d’actine unique près d’une molécule de myosine immobilisée sur une bille. Grâce à une microscopie vidéo performante, on peut détecter des déplacements aussi petits qu’un nanomètre. En présence d’ATP et sous faible force opposée, le filament d’actine s’est déplacé par à-coups de 11 nm, ce qui correspond au déplacement unitaire produit par un cycle d’interaction actine-myosine. Lorsque la force appliquée par les pinces est plus grande et l’immobilisation de l’actine totale, on peut observer des impulsions de force d’environ 5 piconewtons (pN), indiquant la force développée par un cycle d’interaction actine-myosine. De plus, ces impulsions durent plus longtemps à faible concentration d’ATP, ce qui soutient l’idée que la liaison de l’ATP à la myosine est nécessaire pour permettre son détachement.
Dans une expérience isotonique, la force entre le filament d’actine et la bille de myosine/silice fixée est maintenue constante grâce à une intensité laser stable. L’expérimentateur mesure, en fonction du temps, le déplacement de la bille de polystyrène par rapport au centre du piège. Ainsi, lors d’un cycle, l’interaction myosine-actine éloigne la bille de polystyrène d’environ 11 nm du centre du piège. Dans une expérience isométrique, l’expérimentateur mesure, en fonction du temps, la force supplémentaire nécessaire (c’est-à-dire l’augmentation de l’intensité du laser) pour maintenir la bille de polystyrène à une position fixe près du centre du piège. Ainsi on peut mesurer que lors d’un cycle de pontage, l’interaction myosine-actine exerce une force d’environ 5 pN.
Sensibilité des Microfilaments d'Actine aux Forces
Les microfilaments d’actine (avec la myosine) peuvent générer des déformations et des forces comme nous venons de le voir, mais elles peuvent aussi répondre à des forces et des contraintes. En effet, l’assemblage et l’architecture des réseaux d’actine ramifiés sont sensibles à la force exercées sur les cellules.
Lorsqu’on renforce le flux (= la force, No Flow -> Flow) auquel est soumis le branchement, on voit le branchement se détacher ainsi que Arpc5.
Microtubules et Orientation de la Division Cellulaire
Les microtubules participent également à la biomécanique du développement, par exemple lorsque les contraintes mécaniques participent à la régulation de l’orientation de la division cellulaire. L’orientation préférentielle des divisions cellulaires dans la direction de l’étirement est observée dans l’heure suivant l’étirement. Par ailleurs, les cellules doivent adopter la bonne forme (généralement arrondie pour les cellules animales) pour entrer en mitose car les microtubules astraux doivent être correctement ancrés à la périphérie de la cellule et notamment à son réseau cortical d’actine.
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