Direction des sciences du vivant

L’exercice de forces est indispensable au bon fonctionnement de nombreux processus cellulaires. Chez les eucaryotes, une majorité de ces phénomènes motiles est assurée par la polymérisation et la dépolymérisation spatialement et temporellement contrôlée du cytosquelette d’actine. Le cytosquelette est composé de microfilaments d’actine qui s’associent en structures complexes aux propriétés mécaniques particulières. Au cours des dix dernières années, beaucoup d’efforts ont été menés pour comprendre la dynamique des réseaux branchés de filaments d’actine initiés par le complexe Arp2/3. En revanche, peu de choses sont connues à propos de la dynamique de formation et de désassemblage des câbles de filaments d’actine. Récemment, il fut montré que les formines représentent une famille de protéines essentielles à l’initiation de ces structures.
Cette thèse résume dans un premier temps le travail accompli pour comprendre le mécanisme d’action des formines à l’échelle moléculaire. La plupart des formines sont des nucléateurs processifs, c’est-à-dire qu’ils permettent la formation et l’élongation de nouveaux filaments d’actine, tout en restant liées à l’extrémité du filament qui polymérise. Nous avons montré par la technique originale de microscopie à onde évanescente que Arabidopsis thaliana FORMIN1 représente un nouveau type de formine, qui se déplace sur le côté des filaments d’actine après les avoir formés. Depuis le côté d’un filament préexistant, FORMIN1 est capable de nucléer un autre filament, initiant la formation de câbles de filaments d’actine. Dans un deuxième temps, cette thèse s’intéresse au mécanisme moléculaire mis en jeu par l’ADF/cofiline pour accélérer la dynamique d’assemblage/désassemblage des filaments d’actine, et traite pour la première fois de la dynamique de l’actine en temps réel à l’échelle du filament individuel ou à l’intérieur de structures organisées de filaments d’actine.


Actin is one of the major constituents of the cytoskeleton. By dynamically assembling in cells, actin filaments are able to push the membrane out, and deform the cell leading to force generation and movement. In the last ten years, biochemical studies have unveiled many different biochemical pathways that lead to actin polymerization and assembly. However, the mechanism of force generation is still under debate. The main issue is how the microscopic properties of individual filaments are integrated at the scale of a cell to produce forces. In addition, little is known about the dynamic formation and disassembly of actin filaments cables (an organisation of actin filaments in parallel/or antiparrallel bundles). Recently, formins have been shown to be an essential family of proteins for the initiation of such actin-based structures.
This manuscript highlights the work that we conduct to understand the mechanism of action of formins at a molecular level. Most of formins are processive nucleators; indeed they are promoting fast actin filament elongation while remaining attached to the growing end of the filament. We have shown by the original evanescent wave microscopy technique that Arabidopsis Thaliana FORMIN1 represents a new kind of formin, which moves to the side of the actin filament after nucleation. From the side of the pre-existing filament, FORMIN1 is able to nucleate a new filament, promoting the assembly of actin filaments into actin cables. We next combine biomimetic assays with TIRF microscopy, to address the mechanism of the dynamic of polymerization and depolymerization of actin filaments induced by ADF/cofilin. We visualized for the first time individual actin filament stochastic dynamics in real time, and proposed a selection process for the formation of large actin based structures initiated by formin.