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Présentation générale

L'équipe Biologie quantitative de la croissance cellulaire étudie les mécanismes fondamentaux du contrôle de la prolifération et du vieillissement cellulaires en utilisant comme organisme modèle principal la levure Saccharomyces cerevisiae. Les principaux axes de recherche visent à i) élucider les mécanismes de l'entrée en sénescence réplicative chez la levure, ii) décrypter par des méthodes quantitatives la complexité de la réponse physiologique au stress oxydant et au déficit nutritif chez la levure.

Elle développe des systèmes microfluidiques d'imagerie cellulaire non destructive en milieu contrôlé qui, combinés à des méthodes de génétique moléculaire, permettent de suivre la dynamique de ces processus à l'échelle de la cellule individuelle.

Dynamique et mécanisme de l'entrée en sénescence réplicative chez la levure

Une cellule mère se divise de manière assymétrique un certain nombre de fois avant de mourir. Elle accumule des facteurs de vieillissement au cours de sa vie mais les cellules filles n'en héritent pas et naissent rajeunies.

Les cellules de levure se divisent un nombre limité de fois avant d'entrer en sénescence et de mourir, un phénomène appelé vieillissement réplicatif. Durant les vingt dernières années, bien que les méthodes classique de génétique aient permis d'identifier gènes et voies de régulation de ces processus, la cascade d'évènements déclenchant l'entrée en sénescence reste largement incomprise. Dans ce contexte, aux côtés d'autres groupes, nous avons joué un rôle de pionniers dans le développement de techniques de microluidique pour immobiliser des cellules mères individuelles et suivre sous le microscope leurs divisions de la naissance à leur mort. Nous avons ainsi montré que la succession de divisions cellulaires passe par une transition abrupte (Senescence Entry Point, SEP) pour entrer dans un régime de division ralenti précédent la mort cellulaire.

Représentation des trajectoires des cellules après alignement à partir de la naissance à gauche ou à partir de l'entrée en sénescence (SEP) à droite.
Chaque ligne horizontale correspond à une unique cellule mère et chaque segment de ligne représente un cycle cellulaire. La couleur indique la durée de chaque cycle.

Nous avons récemment montré que le SEP est mécanistiquement associé à l'accumulation d'ADNr circulaires extrachromosomiques (ERCs), un marqueur du vieillissement chez la levure décrit de longue date. Nous avons également montré que les ERCs alimentent une transcription excessive d'ARN ribosomal qui s'accumule dans le noyau, compromettant l'homéostasie nucléaire.

Schema des trois étapes de la sénescence ERC-dépendante (excision des ERC, auto-réplication des ERC et rythme de division post-SEP)

Nos recherches cherchent maintenant à 1) mieux comprendre comment la stabilité de l'ADNr se dégrade et conduit à la production d'ERCs excisés à partir des locus d'ADNr et 2) élucider les mécanismes de contrôle de l'homéostasie cellulaire chez les cellules mères agées contenant de nombreux contingents d'ERCs.

Signalisation quantitative associée à la réponse au stress oxydant

Sequence of phase-contrast and fluorescence images of cells at the indicated time points after addition of 0.4 mM H2O2 at t = 300 min. The red and green channels represent the Htb2-mCherry (nuclear marker) and Yap1-GFP (transcription factor of the oxidative stress response) signals, respectively. Orange and white lines represent the cellular and nuclear contours obtained after automated segmentation. The white bars represent 5 µm.

Les organismes unicellulaires ont développé divers mécanismes de défense pour tempérer les variations des paramètres physiologiques internes et pour contrer les changements imporévisibles du milieu. La réponse au stress oxydant (e.g. peroxyde d'hydrogène) est un système de régulation fondamental hautement conservé qui permet à la cellule d'ajuster précisément son équilibre redox essentiel pour un bon fonctionnement physiologique. Toutefois, bien que les acteurs moléculaires impliqués dans cette réponse soient bien identifiés au niveau biochimique, la manière dont ces composants se combinent en un système homéostatique fonctionnel n'est toujours pas élucidée.

Dans ce contexte, nous avons développé une plate-forme microlfuidique pour suivre la réponse physiologique de cellules individuelles a divers motifs temporels de stress (i.e. en escalier, augmentation continue, etc.) et mis en évidence les propriétés fonctionnelles du système d'homéostasie redox. Nous avons montré que le taux d'exposition au stress en fonction du temps est un partamètre essentiel de la survie des cellules : toutes les cellules meurent lorsqu'elles sont exposées directement à une dose donnée de peroxyde d'hydrogène, mais elles peuvent survivre à des doses 10 fois supérieures si on les expose progressivement au même stress. Cette observation a révélé que l'adaptation au stress est limitée par le temps de réponse de la machinerie homéostatique ainsi que la capacité d'habituation au stress des cellules. Nous avons démontré que l'activité des peroxyrédoxines, enzymes clés dans la détoxication de H2O2, est au coeur de cette capacité d'habituation de même de que l'acquisition de la tolérance, connue de longue date.

Sachant que certains métabolites (e.g. NADPH) sont impliqués à la fois dans les processus anaboliques et le contrôle de l'équilibre redox, nous nous attachons maintenant à la mise en évidence des mécanismes de réallocation de leurs ressources de la croissance cellulaire vers la détoxication de H2O2 lorsque les cellules font face au stress oxydant.

Developpement de dispositifs microfluidiques

Notre activité de recherche repose en grande partie sur la conception de dispositifs de microfluidiques particuliers pour suivre la croissance de cellules individuelles sur plusieurs générations. Nous développons actuellement de nouveaux dispositifs pour améliorer l'acquisition de données pendant l'entrée en sénescence réplicative et combiner l'imagerie de cellules vivantes avec des analyses biochimiques complémentaires du stress oxydant. Nous disposons de notre propre salle blanche pour la génération de prototypes par photolithographie SU8 standard.

 

Schéma d'un dispositif de micro-fluidique utilisé par l'équipe.

Dynamique de la réponse à la dénutrition

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