Les stimulus biochimiques étaient considérés jusqu’à la fin des années 1970 comme seuls acteurs de la régulation de l’activité cellulaire, de la morphogenèse ou de la différenciation cellulaire. Il est progressivement apparu que les contraintes mécaniques pouvaient elles aussi jouer un rôle de stimulus externe lors de ces processus [ 1, 2]. Les cellules sont en effet capables de sonder et de réagir aux sollicitations mécaniques exercées soit par les autres cellules, soit par leur environnement (ex. : matrice extracellulaire). L’intégration de ces stimulus et leur transduction en voies d’activation biochimiques sont actuellement un domaine d’étude en pleine expansion [ 3, 11, 12] (→).

(→) Voir les Nouvelles de B. Bénazéraf, B. Coste et S.A. Bencherif et al., pages 12, 17 et 19 de ce numéro

Par exemple, certaines voies de régulation peuvent être activées lors de l’ouverture de pores membranaires mécanosensibles consécutive à l’augmentation de la tension de membrane ou bien encore par l’enrichissement local de récepteurs et d’effecteurs au niveau de la déformation du cortex. Enfin l’application de contraintes locales dans le cytoplasme conduisant à la déformation de protéines révélant des sites catalytiques ou de recrutement constitue une autre voie possible de transduction mécanochimique [ 13]. La capacité d’une cellule à répondre efficacement à une sollicitation mécanique est largement liée à la mise en tension permanente de son cytosquelette via les réseaux dynamiques de filaments interconnectés. L’existence de cette précontrainte permet une transmission physique (donc extrêmement rapide) des sollicitations mécaniques externes qui pourraient potentiellement être intégrées au niveau de la membrane cellulaire ou du nucléosquelette afin d’activer le programme de transcription génétique approprié.

La sollicitation mécanique peut être elle-même exercée par la cellule afin de sonder les propriétés microrhéologiques de son environnement. Les cellules souches mésenchymateuses (MSC) peuvent par exemple se différencier en neurones, myoblastes ou ostéoblastes selon la rigidité de leur substrat de culture [ 4]. La mesure des déformations locales de substrats élastiques a permis d’évaluer à plusieurs dizaines de nN (nanonewtons) les forces exercées sur la matrice extracellulaire par des cellules lors de leur migration [ 5]. L’existence de points focaux d’adhésion se renforçant au cours du temps ainsi que celle de fibres de stress constituées de filaments d’actine dictant la forme de la cellule a pu être mise en évidence. De la même façon, les forces d’adhésion intercellulaire (relayées par les cadhérines) ont aussi pu être évaluées à une centaine de nN [ 6]. L’avènement de techniques de microfabrication ou de micropatterning a permis et permettra des mesures beaucoup plus fines et exhaustives des champs de forces externes appliquées par les cellules sur leur environnement.

Pour s’exercer, ces contraintes externes doivent être contrebalancées par un champ de contraintes internes supportées, dans le cas de l’adhésion focale, par le complexe d’adhésion (dont les intégrines) et les fibres de stress associées. Ce complexe d’adhésion exerce une contrainte croissante sur la matrice externe ce qui a pour cause et/ou effet d’y favoriser le recrutement constant de protéines (taline, vinculine, actine, etc.) ( Figure 1 ). Une récente étude in vitro [ 7] a démontré la possibilité d’un mécanisme de régulation du renforcement de ces contraintes par l’ouverture d’un site cryptique de la taline permettant un recrutement accru de vinculine, la protéine servant de lien entre le cytosquelette et le complexe d’adhésion. Ce mécanisme pourrait ainsi servir de transduction de la contrainte en une réponse chimique.

Figure 1 Complexes d’adhésion cellulaire. Représentation schématique des complexes d’adhésion intercellulaires CAM (rouge : adherens junctions, bleu : desmosomes) et extracellulaires CMAC (bleu : adhésion focale). Les forces de tension exercées par le complexe d’actomyosine sont représentées en rouge. Adapté avec permission de [3].

Figure 1 Complexes d’adhésion cellulaire. Représentation schématique des complexes d’adhésion intercellulaires CAM (rouge : adherens junctions, bleu : desmosomes) et extracellulaires CMAC (bleu : adhésion focale). Les forces de tension exercées par le complexe d’actomyosine sont représentées en rouge. Adapté avec permission de [3].

Afin de confirmer in vivo l’existence de tels mécanismes de régulation, une mesure des tensions intracellulaires est nécessaire. Les premières mesures ont récemment été rendu possibles par l’utilisation de marqueurs fluorescents mécanosensibles appliqués à l’α-actinine [ 8] et au complexe d’actomyosine [ 9]. Un article récent publié dans Nature [ 10] présente le plus abouti de ces « dynamomètres moléculaires » appliqués à l’étude de la vinculine. Ce dynamomètre est constitué d’une paire de fluorophores FRET¹ (mTFP1 [monomeric teal fluorescent protein 1] et Venus) reliés par une chaîne peptidique dérivée d’une protéine de la soie d’araignée. Cette chaîne non structurée constitue un ressort entropique capable de se déformer sous l’action d’une force de traction de quelques piconewton entraînant une chute du taux de transfert de fluorescence FRET entre les deux fluorophores. En insérant cette construction entre le domaine de la vinculine se liant à l’actine et celui se liant à la taline ( Figure 2 ), le recrutement local et le degré de contrainte exercé sur la vinculine ont pu être déduits de la mesure du taux de transfert FRET à l’échelle d’un complexe d’adhésion unique. Les auteurs ont pu montrer que la vinculine supportait une force de traction dans le complexe d’adhésion plus importante pour les points focaux jeunes que dans les complexes d’adhésion matures en cours de désassemblage. De façon plus surprenante, ce nouveau marqueur moléculaire a permis de montrer que le recrutement et l’activation de la vinculine dépendent, non du niveau de contrainte supporté par la protéine elle-même, mais de la contrainte totale exercée au niveau du complexe d’adhésion. Un mécanisme d’activation et de recrutement lié à la déformation de la protéine (semblable a celui décrit pour la taline) peut donc probablement être exclu.

Figure 2 Principe du dynamomètre moléculaire. A. Organisation supposée de différentes molécules dans un complexe d’adhésion focale. La vinculine est mise en surbrillance. B. 1. vinculine native; 2. vinculine modifiée avec le dynamomètre moléculaire à faible force. La faible distance entre les fluorophores rouge et vert permet un transfert FRET. 3. Soumis à une force de quelques picoNewton, le dynamomètre moléculaire se déplie, interdisant le transfert de fluorescence (adapté avec permission de [3]).

Figure 2 Principe du dynamomètre moléculaire. A. Organisation supposée de différentes molécules dans un complexe d’adhésion focale. La vinculine est mise en surbrillance. B. 1. vinculine native; 2. vinculine modifiée avec le dynamomètre moléculaire à faible force. La faible distance entre les fluorophores rouge et vert permet un transfert FRET. 3. Soumis à une force de quelques picoNewton, le dynamomètre moléculaire se déplie, interdisant le transfert de fluorescence (adapté avec permission de [3]).

L’existence de marqueurs moléculaires mécanosensibles ouvre la voie à une possible cartographie dynamique des tensions mécaniques intracellulaires. Le marqueur décrit par l’équipe de M. Schwartz s’applique plus particulièrement aux protéines engagées dans des complexes d’adhésion au niveau des membranes cytoplasmiques ou nucléaires. Pour autant, un principe similaire pourrait permettre de créer des marqueurs s’incorporant dans les filaments d’actine ou les microtubules. La connaissance de la propagation des champs de contrainte externes jusqu’au noyau permettrait par exemple de mieux cerner les procédés d’intégration des signaux mécaniques sur le profil d’expression génétique des cellules.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.