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

Autor: Pauline Durand-Smet, Démosthène Mitrossilis, Nathalie Bufi, Atef Asnacios, Jonathan Fouchard, Jocelyn Etienne
Přispěvatelé: LIPHY-DYFCOM, Laboratoire Interdisciplinaire de Physique [Saint Martin d’Hères] (LIPhy), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF), CNRS UMR 7057 - Laboratoire Matières et Systèmes Complexes (MSC) (MSC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Région Rhône-Alpes (Complex Systems Institute IXXI and Cible),Agence Nationale de la Recherche (ANR-12-BS09-0020-01 'Transmig') andLaboratory of Excellence The Engineering of Complexity 'Tec21' (ANR-11-LABX-0030). The experimental work was supported, in part, by AgenceNationale de la Recherche (ANR-12-BSV5-0007-01 'ImmunoMeca')., ANR-12-BS09-0020,TRANSMIG,Migration transendothéliale de cellules cancéreuses(2012), ANR-12-BSV5-0007,ImmunoMeca,Caractérisation du rôle de la mécanique dans l'immunité: vers un modèle intégré de l'activation des cellules T(2012), ANR-11-LABX-0030,TEC XXI,Ingénierie de la Complexité : la mécanique et ses interfaces au service des enjeux sociétaux du 21iè(2011)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2015
Předmět:
[PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph]
[SDV.BC.BC]Life Sciences [q-bio]/Cellular Biology/Subcellular Processes [q-bio.SC]
macromolecular substances
Biology
Myosins
Mechanotransduction
Cellular

Models
Biological

[SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
Cell Line
Cytoskeleton contractility
Focal adhesion
03 medical and health sciences
Mice
0302 clinical medicine
Mechanosensing
Myosin
medicine
Animals
[PHYS.MECA.MEFL]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Fluid mechanics [physics.class-ph]
Muscle Strength
Mechanotransduction
Retrograde flow
Cytoskeleton
Actin
Rigidity sensing
030304 developmental biology
0303 health sciences
Multidisciplinary
Cell spreading
Stiffness
Actomyosin
Biological Sciences
Actin cytoskeleton
Cell biology
Rats
Actin Cytoskeleton
Smart Materials
medicine.symptom
030217 neurology & neurosurgery
Muscle contraction
Muscle Contraction
Zdroj: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, National Academy of Sciences, 2015, 112 (9), pp.2740-2745. ⟨10.1073/pnas.1417113112⟩
ISSN: 0027-8424
1091-6490
DOI: 10.1073/pnas.1417113112⟩
Popis: International audience; 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, leurcapacité à se déplacer et à changer de forme a attiré notre attention entant que physiciens. Une double approche de modélisation et d'expériencesnous conduit à expliquer deux observations troublantes : premièrement, lacellule adapte l'intensité des forces avec lesquelles elle tire sur sonenvironnement selon la rigidité de celui-ci. Et deuxièmement, pendantqu'une cellule progresse dans une direction en développant uneprotrusion, son squelette interne s'écoule en fait dans l'autre direction,dans un mouvement apparemment contre-productif, appelé écoulementrétrograde. Nous montrons que ces deux phénomènes émanent d'une mêmepropriété paradoxale du squelette interne de la cellule, qui est fait defilaments d'actine assemblés en un réseau. Cet assemblage est bâtipar des liens dont la durée de vie est très courte, ce qui en fait enréalité un liquide qui va lentement s'écouler. À première vue, cela paraîtincompatible avec l'observation, puisque la forme d'un liquide est dictéepar son environnement, alors que les cellules déforment activement leurmilieu. Cependant, parmi les liens formant le réseau d'actine se trouventdes moteurs moléculaires, appelés myosines, capables de tirer sur lesfilaments d'actine et ainsi d'engendrer un écoulement de l'intérieur. Nousmontrons que c'est l'interaction de ces myosines avec la rigidité del'extérieur qui détermine la forme que la cellule prendra. Cela impliqueune consommation continuelle d'énergie par les myosines même lorsque lacellule est globalement immobile, mais nous montrons que ce fonctionnementdote le squelette cellulaire de deux avantages cruciaux : l'agilité d'unliquide pour s'adapter et accomplir les multiples rôles physiologiques dela cellule, et simultanément la résistance d'un solide élastique qui répondinstantanément à des sollicitations mécaniques.
Databáze: OpenAIRE
načítá se...