Actin dynamics : role of actin networks architecture in disassembly by ADF/Cofilin. | Dynamique de l’actine : influence de l’architecture des réseaux d’actine sur le désassemblage par ADF/Cofiline

English. Cells maintain their morphology and produce forces thanks to the cytoskeleton, which is composed of three types of protein polymers, amongst which the actin microfilaments. Actin filaments assemble into diverse architectures, which assembly and disassembly is tightly controlled in space and time. Indeed, the progressive hydrolysis of ATP in the monomers causes the actin filaments to age. Thus, actin needs to be recycled. When assembly and disassembly compensate, different actin architectures are in a dynamic steady state, in which the pool of actin monomers is renewed. Disassembly of actin structures also maintains a large reservoir of polymerization-ready monomers ready to assemble when needed by the cell.The lamellipodium is the locomotory organelle of the cell, and is made of a thin yet very dense sheet of dendritic actin network, with regulatory proteins. A pivotal protein is ADF/Cofilin, which is responsible of the disassembly of old actin filaments by fragmentation and debranching. To date, there have been extensive studies about the microscopic mechanisms, but if one wants to understand cell motility, one must decipher the collective and macroscopic disassembly of the dendritic actin network.By combining motility media reconstituted from purified proteins, and a new surface micro-patterning technique, I was able to reconstitute lamellipodium-like dendritic networks in vitro. During this thesis I explored the parameters that control the macroscopic disassembly of these networks. This work shows that the disassembly of dendritic actin networks depends on their architecture (density) and geometry (size): dense or extended networks are less efficiently disassembled and remain cohesive longer. Simulations show that these effects can be explains by a local depletion of ADF/Cofilin in the volume surrounding the network. Besides, networks of heterogeneous densities acquire directionality. This steering is modulated by selective disassembly of the networks by ADF/Cofilin. In parallel, these studies established a ratio at which networks are at a dynamic steady state.This work goes further than the fundamentally important studies about fragmentation of individual actin filaments, and establishes new parameters that control the disassembly of dendritic actin at the macroscopic scale.

French. Le maintien de la morphologie et la production des forces par les cellules sont possibles grâce au cytosquelette, constitué de trois types de polymères protéiques dont les microfilaments d’actine. Les filaments d’actine s’organisent en différentes architectures, dont l’assemblage et le désassemblage sont étroitement contrôlés dans le temps et l’espace. En effet, une des caractéristiques d’un filament d’actine est son vieillissement, par l’hydrolyse progressive de l’ATP au sein des sous-unités. Pour assurer un renouvellement continu de l’ actine celle-ci doit donc être recyclée. Lorsque l’assemblage et désassemblage se compensent, les architectures d’actine sont alors dans un état stationnaire dynamique, dans lequel la concentration demonomères d’actine est perpétuellement renouvelée. Le désassemblage permet également de maintenir un réservoir important d’actine monomérique polymérisable, pour répondre rapidement aux besoins cellulaires. Le lamellipode, organe moteur de la cellule, est essentiellement composé d’unfeuillet fin mais très dense d’actine dendritique ainsi que de protéines régulatrices. Une protéine essentielle dans le turnover rapide du lamellipode est l’ADF/Cofiline. Elle est responsable du désassemblage des filaments âgés par fragmentation et pardébranchement. Jusqu’à présent, les études portaient le plus souvent sur les mécanismes microscopiques, à l’échelle du filament individuel. Or, pour comprendre la dynamique des réseaux branchés notamment au cours de la motilité cellulaire, il nous faut comprendre le désassemblage collectif et macroscopique du réseau d’actine dendritique. En combinant des milieux de motilité reconstitués à partir de protéinespurifiées à une nouvelle technique de micro-structuration de surfaces, j’ai pu reconstituer in vitro des réseaux dendritiques semblables au lamellipode. Ainsi, j’ai exploré au cours de ma thèse les paramètres qui contrôlent leur désassemblage macroscopique. Il en ressort que le désassemblage des réseaux dépend de leur architecture (densité) et de leur géométrie (taille) : les réseaux denses ou étendus sont moins efficacement désassemblés et restent cohésifs plus longtemps. Des modélisations montrent que c’est la déplétion locale en ADF/Cofiline autour du réseau d’actine qui semble responsable des effets observés. De plus, les réseaux constitués de densités d’actine hétérogènes acquièrent une directionnalité, qui peut être modulée par le désassemblage sélectif par ADF/Cofiline. Parallèlement, ces études ont permis de déterminer que pour avoir un réseau à l’état dynamiquestationnaire (ou à l’équilibre), il fallait atteindre un certain ratio d’ADF/Cofiline par actine. Ce travail a permis d’aller plus loin que les études fondamentales sur la fragmentation de filaments d’actine individuels, à l’échelle microscopique, et d’établir deux nouveaux paramètres qui contrôlent le désassemblage de réseaux d’actine dendritique à l’échelle macroscopique