Cells as liquid motors: Mechanosensitivity emerges from collective dynamics of actomyosin cortex - Université Grenoble Alpes
Article Dans Une Revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Année : 2015

Cells as liquid motors: Mechanosensitivity emerges from collective dynamics of actomyosin cortex

Les cellules en tant que moteur liquide : la mécanosensibilité émerge de la dynamique collective de l'actomyosine corticale

Résumé

Living cells adapt and respond actively to the mechanical properties of their environment. In addition to biochemical mechanotransduction, evidence exists for a myosin-dependent purely mechanical sensitivity to the stiffness of the surroundings at the scale of the whole cell. Using a minimal model of the dynamics of actomyosin cortex, we show that the interplay of myosin power strokes with the rapidly remodeling actin network results in a regulation of force and cell shape that adapts to the stiffness of the environment. Instantaneous changes of the environment stiffness are found to trigger an intrinsic mechanical response of the actomyosin cortex. Cortical retrograde flow resulting from actin polymerization at the edges is shown to be modulated by the stress resulting from myosin contractility, which in turn, regulates the cell length in a force-dependent manner. The model describes the maximum force that cells can exert and the maximum speed at which they can contract, which are measured experimentally. These limiting cases are found to be associated with energy dissipation phenomena, which are of the same nature as those taking place during the contraction of a whole muscle. This similarity explains the fact that single nonmuscle cell and whole-muscle contraction both follow a Hill-like force–velocity relationship.
Parmi les nombreuses énigmes posées par les cellules vivantes, leur capacité à se déplacer et à changer de forme a attiré notre attention en tant que physiciens. Une double approche de modélisation et d'expériences nous conduit à expliquer deux observations troublantes : premièrement, la cellule adapte l'intensité des forces avec lesquelles elle tire sur son environnement selon la rigidité de celui-ci. Et deuxièmement, pendant qu'une cellule progresse dans une direction en développant une protrusion, son squelette interne s'écoule en fait dans l'autre direction, dans un mouvement apparemment contre-productif, appelé écoulement rétrograde. Nous montrons que ces deux phénomènes émanent d'une même propriété paradoxale du squelette interne de la cellule, qui est fait de filaments d'actine assemblés en un réseau. Cet assemblage est bâti par des liens dont la durée de vie est très courte, ce qui en fait en réalité un liquide qui va lentement s'écouler. À première vue, cela paraît incompatible avec l'observation, puisque la forme d'un liquide est dictée par son environnement, alors que les cellules déforment activement leur milieu. Cependant, parmi les liens formant le réseau d'actine se trouvent des moteurs moléculaires, appelés myosines, capables de tirer sur les filaments d'actine et ainsi d'engendrer un écoulement de l'intérieur. Nous montrons que c'est l'interaction de ces myosines avec la rigidité de l'extérieur qui détermine la forme que la cellule prendra. Cela implique une consommation continuelle d'énergie par les myosines même lorsque la cellule est globalement immobile, mais nous montrons que ce fonctionnement dote le squelette cellulaire de deux avantages cruciaux : l'agilité d'un liquide pour s'adapter et accomplir les multiples rôles physiologiques de la cellule, et simultanément la résistance d'un solide élastique qui répond instantanément à des sollicitations mécaniques.
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hal-01132702 , version 1 (18-03-2015)

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Jocelyn Etienne, Jonathan Fouchard, Démosthène Mitrossilis, Nathalie Bufi, Pauline Durand-Smet, et al.. Cells as liquid motors: Mechanosensitivity emerges from collective dynamics of actomyosin cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, 112 (9), pp.2740-2745. ⟨10.1073/pnas.1417113112⟩. ⟨hal-01132702⟩
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