New approaches to study the architecture and dynamics of the sealing zone in osteoclasts - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

New approaches to study the architecture and dynamics of the sealing zone in osteoclasts

Nouvelles approches pour l'étude de l'architecture et la dynamique de la sealing zone des ostéoclastes

Résumé

Bone is a complex biological environment, and a living tissue under constant renewal throughout life. Its remodeling process is orchestrated by three different cell types: osteoblasts, osteoclasts and osteocytes. While osteoblasts are in charge of the generation of new bone matrix, the main function of osteoclasts is to degrade it, and both activities are under the regulation of osteocytes. In order to efficiently dissolve both mineralized and organic bone components, osteoclasts compartmentalize their plasma membrane to create a resorption microenvironment. In particular, osteoclasts form a superstructure called the sealing zone, which confines the digestion site. The sealing zone has been identified in the late 80s as a dense actin structure, then in the late 2000s as composed of podosomal subunits. However, little is still known about the precise inner organization of this specific cytoskeletal arrangement. This study proposed a quantitative characterization at the nanoscale of the organization and dynamics of the sealing zone in human osteoclasts. State-of-the-art superresolution microscopy confirmed that single cores were tightly packed in a complex filament network, and time-lapse imaging revealed that they consisted in preferential sites of intense actin remodeling. In addition, signal processing yielded that these subunits display a synchronous behavior at the local scale. Further analysis of the organization showed that actin cores are arranged in groups encircled by adhesion complexes, and of various sizes. The mechanisms used by the sealing zone to probe the stiffness and the topography of bone have been but poorly investigated. Thus, this work also aimed at developing new substrates compatible with super-resolution microscopy to investigate the mechanisms of rigidity and topography sensing. First, a protocol to create gels of polyacrylamide of only a few hundreds of nanometers was developed. Such substrates will pave the way for the investigation of forces at the nanoscale. In addition, micro- and nanotechnological resources have been applied to the development of new substrates to assess topography sensing at the nanoscale. Micron-sized lines presenting nanoscale heights were directly shaped on glass coverslips thanks to photolithography and chemical etching, and their characterization was carried out with atomic force microscopy. Overall, the work presented in this manuscript describes new technological approaches to characterize the structural and dynamical properties of the sealing zone. The versatility of the presented tools and techniques will allow their use in various other contexts, such as individual podosomes or focal adhesions.
L’os forme un environnement cellulaire complexe, et est sujet à un renouvellement constant tout au long de l’existence. Son remodelage dépend de trois types cellulaires : les ostéoblastes, les ostéoclastes et les ostéocytes. Le rôle des ostéoblastes consiste en la construction de la nouvelle matrice osseuse, tandis que les ostéoclastes sont responsables de sa dégradation. Tout ceci se fait sous la régulation des ostéocytes. Afin de pouvoir efficacement dissoudre les parties minérales et organiques de l’os, les ostéoclastes mettent en place une polarisation spécifique de leur membrane plasmique afin de créer un microenvironnement confiné, favorable à la résorption. Ce confinement des sites de résorption est dû à la présence d’une zone de scellement ou « sealing zone ». Cette structure à forte densité d’actine a été caractérisée à la fin des années 80, et une vingtaine d’années plus tard des sous-unités ressemblant à des podosomes ont été identifiées à l’intérieur de cette entité. Pourtant, l’organisation interne de la zone de scellement reste encore aujourd’hui peu décrite à petite échelle. Au cours de cette étude, une première caractérisation quantitative à l’échelle nanométrique de la zone de scellement des ostéoclastes humains a été proposée. A l’aide d’une technique de microscopie de superrésolution de pointe, les coeurs d’actine ont pu être identifiés comme des sites de remodelage intense de l’actine. De plus, le traitement des signaux associés a permis de mettre en évidence que ces évènements dynamiques avaient lieu de manière synchrone entre coeurs voisins, et l’analyse de la localisation de protéines majeures de la zone de scellement a suggéré que les coeurs d’acteurs étaient organisés en îlots de taille variable, encerclés de complexes d’adhérence. Les mécanismes cellulaires permettant à cette superstructure d’adhérence de reconnaître les propriétés de surface de la matrice osseuse sont encore méconnus. Ainsi, les travaux menés au cours de cette thèse se sont aussi concentrés sur le développement de substrats compatibles avec l’étude de ces fonctions. Un protocole pour produire des lamelles de verre présentant une couche de polyacrylamide de quelques centaines de nanomètres a été mis au point. Ces supports pourront également permettre à l’avenir d’évaluer des forces appliquées à l’échelle nanométrique. De plus, l’utilisation de ressources de micro- et nanotechnologies a permis de développer des substrats spécialement mis en forme pour l’étude des réponses cellulaires aux nano-topographies. Des lamelles de verres ont été traitées par photolithographie et gravure chimique pour présenter des lignes micrométriques, de hauteur nanométrique, caractérisées grâce à la microscopie de force atomique. De manière générale, les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent de nouvelles approches pour caractériser les propriétés structurales et dynamiques de la sealing zone. Du fait de leur polyvalence, ces outils pourront également s’inscrire dans une recherche plus globale concernant les structures d’adhérence cellulaires.
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  • HAL Id : tel-02535262 , version 1

Citer

Marion Portes. New approaches to study the architecture and dynamics of the sealing zone in osteoclasts. Biophysics. Université de Toulouse (Paul Sabatier), 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02535262v1⟩
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