Assessing the roles of contractility and polarity in the emergence of endothelial cell chirality - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Assessing the roles of contractility and polarity in the emergence of endothelial cell chirality

Evaluation du rôle de la contractilité et de la polarité dans l'expression de la chiralité cellulaire dans un modèle endothélial

Ghina Badih
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1451948
  • IdRef : 281771588

Résumé

Chirality, defined as the property of an object not being superimposable to its mirror image, is a conserved hallmark of biological systems with critical implications in various physiological processes, particularly tissue morphogenesis and embryonic development. Large-scale left-right asymmetries, including organismal body plans and directional tissue patterning, are believed to arise from the handedness of their constituting cells, commonly referred to as cellular chirality. It has been shown that in a geometrically confined environment, both individual cells and cell collectives spontaneously break symmetry and can exhibit distinctive chiral behaviors. Despite the lack of a clear molecular mechanism explaining the manifestation of this property at the cellular level, the primary chiral determinant in this phenomenon has always been linked to the actin cytoskeleton in interaction with its binding partners. In particular, several studies point at a key role for actomyosin network contractility in chiral cell alignment and cell rotation. However, the exact contribution of contractile forces to the emergence and maintenance of cellular chirality remains to be elucidated. Moreover, it has been reported that the expression of chirality in various models is closely associated with polarization, another type of symmetry breaking, which governs the organization of the cytoskeleton, biases the distribution of internal organelles, and plays an essential role in driving cellular motion. Despite the interdependence between these two symmetry-breaking phenomena, especially in terms of the implicated effectors, a clear understanding of the feedback existing between polarity and chirality is still lacking.To begin with, our project addresses the role of contractility in establishing chirality in a minimalistic model of endothelial cell pairs. We show that cell doublets confined on disk-shaped micropatterns spontaneously display a persistent, rightward biased swirling that is strongly dependent on the contractile forces produced by the actin cytoskeleton. In particular, our experimental data demonstrate that varying cellular contractility levels not only affects the extent of rotation but also modulates the strength and the directionality of the chiral bias. Furthermore, a closer examination into the mechanics associated with the chiral rotation of doublets reveals the presence of a force asymmetry within the cell pair. Interestingly, our results indicate that the contractility level of the more contractile cell is correlated with the speed and the direction of doublet rotation, suggesting that this cell would dominate the rotational behavior of the system and predict the bias of the doublet. Secondly, by adapting the geometry of the adhesive pattern, we identify the conditions required to trigger an equivalent chiral rotation among single endothelial cells. We use this system to challenge the intrinsic nature of cellular chirality and its relationship to polarity, while shedding light on a possible implication for motility in the emergence of a persistent chiral phenotype.Taken together, these findings demonstrate that the balance of forces produced by the cells of a pair is actively involved in driving the expression of chirality in doublets. In addition, they provide preliminary insights into the mechanisms associated with the emergence of cellular chirality, which would occur in response to their internal organelles symmetry-break and motility.
La chiralité, définie comme étant la propriété d'un objet de ne pas être superposable à son image miroir, est une caractéristique conservée des systèmes biologiques ayant des implications critiques dans divers processus physiologiques, comme la morphogenèse tissulaire et le développement embryonnaire. On pense que les asymétries gauches-droites rencontrées à grande échelle, au cœur de la programmation du développement des organes et du patterning des tissus, proviennent de l'asymétrie gauche-droite de leurs cellules constitutives, communément appelée chiralité cellulaire. Il a été démontré que dans un environnement à géométrie confinée, les cellules individuelles et les groupes de cellules brisent spontanément leur symétrie gauche-droite et présentent des comportements chiraux qui leurs sont propres. Malgré l'absence de mécanisme moléculaire clair expliquant la manifestation de cette propriété au niveau cellulaire, la plupart des études convergent vers un rôle essentiel du cytosquelette d'actine en interaction avec ses protéines partenaires. En particulier, plusieurs travaux indiquent que la contractilité du réseau d'actomyosine jouerait un rôle clé dans l'alignement et la rotation chirales des cellules. Cependant, la contribution exacte des forces contractiles à l'émergence et au maintien de la chiralité cellulaire reste à élucider. De plus, il a été rapporté que l'expression de la chiralité dans divers modèles coïncide avec une repolarisation des organelles de la cellule, un autre type de brisure de symétrie qui régit l'organisation du cytosquelette et joue un rôle essentiel dans la mise en place de mouvements cellulaires. Malgré l'observation de ce phénomène, une compréhension claire de la rétroaction existant entre polarisation des constituants cellulaire et expression du phénotype chiral fait encore défaut.Dans ce contexte, notre projet aborde dans un premier temps le rôle de la contractilité dans l'établissement de la chiralité au sein d'un modèle minimal de paires de cellules endothéliales. Nous avons montré que des doublets de cellules confinés sur des micropatterns en forme de disque présentaient spontanément une rotation persistante et biaisée vers la droite qui dépend fortement des forces contractiles produites par le cytosquelette d'actine. En particulier, nos données expérimentales ont démontré que la variation du niveau de contractilité cellulaire n'affectait pas seulement le déclenchement de la rotation, mais modulait également la force et la direction du biais chiral. En outre, un examen plus approfondi du mécanisme associé à la rotation chirale des doublets a révélé la présence d'une asymétrie de force au sein de la paire de cellules. De manière intéressante, nos résultats ont montré que le niveau de contractilité de la cellule la plus contractile était corrélé avec la vitesse et la direction de la rotation des doublets, ce qui suggère que cette cellule hautement contractile dominerait le comportement chiral du système, prédisant ainsi le biais du doublet. Dans un deuxième temps, en adaptant la géométrie de nos micropatrons, nous avons réussi à identifier les conditions requises pour déclencher la rotation chirale de cellules endothéliales individuelles. Nous avons utilisé ce système pour questionner la nature intrinsèque de la chiralité cellulaire et sa relation avec la polarité, tout en mettant en lumière une implication possible de la motilité dans l'émergence d'un phénotype chiral persistant.L'ensemble de ces résultats montrent que l'équilibre des forces produites par les cellules d'une paire serait activement impliqué dans l'expression de la chiralité dans les doublets. En outre, nos résultats préliminaires suggèrent que l'émergence de la chiralité cellulaire pourrait être liée avec la brisure de symétrie étant associée au processus de motilité cellulaire.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04810372 , version 1 (29-11-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04810372 , version 1

Citer

Ghina Badih. Assessing the roles of contractility and polarity in the emergence of endothelial cell chirality. Cellular Biology. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALV030⟩. ⟨tel-04810372⟩
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