Thèse Année : 2025

Characterization of the mechanical properties of mitochondria and their interactions with the cytoskeleton

Caractérisation des propriétés mécaniques des mitochondries et de leurs interactions avec le cytosquelette

Emilie Su
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1679249
  • IdRef : 296817473

Résumé

Mitochondria are essential organelles involved in a variety of critical cellular processes, including energy production and intracellular signaling. They thus continuously sense and integrate both metabolic and mechanical cues to fine-tune their functions. Although their central role in energy metabolism has been extensively studied, the mechanical properties of mitochondria and their interactions with the cytoskeleton remain poorly characterized. Understanding how mitochondrial mechanical behavior relates to cytoskeletal dynamics is key to revealing the role of mitochondria in mechanotransduction. To characterize in cellulo the mechanical properties of mitochondria and their interplay with the cytoskeleton, we employed two main techniques, optical tweezers and fluorescence lifetime imaging (FLIM), separately and in combination. Using an optical tweezers-based intracellular micromanipulation technique with endocytosed beads, we probed the mechanical properties of mitochondria and their microenvironment in RPE-1 cells. By applying controlled forces to deflect single mitochondria, we measured the effective stiffness of the mitochondrial microenvironment while preserving their functional integrity. Additionally, we performed oscillatory rheology while selectively disrupting the actin and microtubule cytoskeletons to investigate their contributions to the mitochondrial mechanical environment. Our results reveal that the viscoelasticity of the cytoplasm is correlated with the local density of mitochondria only when actin is depolymerized and not under control conditions or following microtubule disruption. This indicates that actin filaments play a more important mechanical role than microtubules in the mitochondrial microenvironment, at this spatio-temporal scale. We further explored the mechanical interplay between mitochondria and the cytoskeletal components by quantifying force transmission through oscillations within the mitochondrial network. Our findings demonstrate that the actin cytoskeleton, rather than actomyosin contractility, is the main mediator of force transmission to mitochondria, emphasizing the structural function of actin in this context. Using FLIM with the Mito Flipper probe at short timescales, we found that mitochondrial membrane tension decreases upon microtubule depolymerization. However, when combining FLIM with optical tweezers-based deflection of mitochondria, mitochondrial membrane tension remains unchanged upon local force application, suggesting the presence of intrinsic buffering mechanisms within the inner mitochondrial membrane. Altogether, our results provide new insights into the mechanical landscape of mitochondria and uncover distinct roles of the cytoskeleton in shaping the mitochondrial microenvironment. These findings contribute to a fundamental understanding of mitochondria as mechanically integrated elements of the cellular system, actively involved in mechanotransduction.

Les mitochondries sont des organites essentiels, impliqués dans une variété de processus cellulaires critiques, notamment la production d'énergie et la signalisation intracellulaire. Elles perçoivent et intègrent ainsi en permanence des signaux métaboliques et mécaniques afin d'ajuster finement leurs fonctions. Bien que leur rôle central dans le métabolisme énergétique ait été largement étudié, les propriétés mécaniques des mitochondries et leurs interactions avec le cytosquelette restent peu caractérisées. Comprendre comment le comportement mécanique des mitochondries est lié à la dynamique du cytosquelette est essentiel pour révéler le rôle des mitochondries dans la mécanotransduction. Pour caractériser in cellulo les propriétés mécaniques des mitochondries et leurs interactions avec le cytosquelette, nous avons utilisé deux techniques principales, les pinces optiques et l'imagerie de durée de vie de fluorescence (FLIM), séparément et en combinaison. En utilisant une technique de micromanipulation intracellulaire basée sur des pinces optiques avec des billes endocytées, nous avons sondé les propriétés mécaniques des mitochondries et de leur microenvironnement dans des cellules RPE-1. En appliquant des forces contrôlées pour défléchir des mitochondries individuelles, nous avons mesuré la rigidité effective du microenvironnement mitochondrial tout en préservant leur intégrité fonctionnelle. Nous avons également réalisé des expériences de rhéologie oscillatoire, tout en perturbant sélectivement les cytosquelettes d'actine et de microtubules, afin d'étudier leur contribution à l'environnement mécanique des mitochondries. Nos résultats révèlent que la viscoélasticité du cytoplasme est corrélée à la densité locale des mitochondries uniquement lorsque l'actine est dépolymérisée, mais pas dans les conditions contrôles ni après perturbation des microtubules. Cela indique que les filaments d'actine jouent un rôle mécanique plus important que les microtubules dans le microenvironnement mitochondrial, à cette échelle spatio-temporelle. Nous avons ensuite exploré l'interaction mécanique entre les mitochondries et les composants du cytosquelette en quantifiant la transmission de forces via des oscillations au sein du réseau mitochondrial. Nos résultats montrent que le cytosquelette d'actine, plutôt que la contractilité actomyosine, est le principal médiateur de la transmission de forces vers les mitochondries, soulignant la fonction structurelle de l'actine dans ce contexte. En utilisant FLIM avec la sonde Mito Flipper à des échelles de temps courtes, nous avons observé que la tension de la membrane mitochondriale diminue suite à la dépolymérisation des microtubules. Cependant, en combinant FLIM avec la déflexion locale des mitochondries par les pinces optiques, la tension membranaire mitochondriale reste inchangée lors de l'application d'une force locale, ce qui suggère l'existence de mécanismes intrinsèques d'amortissement au sein de la membrane interne mitochondriale. Dans l'ensemble, nos résultats apportent de nouvelles connaissances sur le paysage mécanique des mitochondries et révèlent des rôles distincts des composants du cytosquelette dans le microenvironnement mitochondrial. Ces travaux contribuent à une compréhension fondamentale des mitochondries en tant qu'éléments mécaniquement intégrés du système cellulaire, activement impliqués dans la mécanotransduction.

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Citer

Emilie Su. Characterization of the mechanical properties of mitochondria and their interactions with the cytoskeleton. Life Sciences [q-bio]. Université Paris Cité, 2025. English. ⟨NNT : 2025UNIP7211⟩. ⟨tel-05620912⟩
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