Agenda de l'ENS de Lyon

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la dynamique interne du noyau d’une cellule vivante par diffusion dynamique de la lumière. La connaissance de cette dynamique apparaît comme essentielle pour la compréhension du fonctionnement de la cellule eucaryote. De nombreuses études basées entre autres sur la microscopie de fluorescence ou sur le High Chromosome Contact map ont été menées pour sonder cette dynamique. Elles montrent que la dynamique interne du noyau d’une cellule vivante est à la fois riche et complexe, impliquant une multitude de processus différents qui doivent remplir des fonctions bien précises et qui se produisent sur des échelles de temps et d’espace très différentes. Cependant, ces résultats donnent seulement une vision partielle de cette dynamique puisque i) les études par fluorescence ne peuvent donner des informations que sur des processus associés à des objets qui ont été marqués, ii) les études génomiques fournissent des «clichés » de la configuration spatiale du noyau et ne sont pas pratiques pour visualiser la dynamique sur des temps longs ou courts. En conséquence, la dynamique globale, qui reflète les corrélations à la fois en temps et en espace, est toujours inconnue alors qu’il est évident que sa connaissance contribuerait à une meilleure compréhension du noyau et de son activité. Le projet de cette thèse s'inscrit dans cette
problématique.

Afin sonder la dynamique interne du noyau d’une cellule unique nous avons monté une expérience originale de diffusion dynamique de la lumière. Cette méthode a l’avantage d’être non-invasive et de sonder une dynamique globale. . Le principe est simple, nous faisons passer un faisceau laser à travers le noyau d’une cellule et, dans différentes directions de l’espace par rapport au faisceau incident, nous détectons les variations temporelles de l’intensité lumineuse diffusée, I(t). Le noyau cellulaire étant un système complexe et hors-équilibre, les signaux de diffusion ainsi obtenus sont complexes, non stationnaires, non ergodiques et avec plusieurs échelles de temps de relaxation allant de 10-4–10-3 s à quelques dizaines, voire quelques centaines, de secondes. Grâce à cette expérience, nous pouvons mesurer des temps caractéristiques correspondant à des processus liés à la dynamique interne du noyau.

Une partie importante du travail effectué pendant la thèse a consisté à trouver une manière fiable capable d’analyser les signaux de diffusion dynamique de la lumière pour en extraire les temps caractéristiques. Cette partie de la thèse a été un franc succès ; la méthode « Temps – Laplace » que nous avons mis au point, qui regroupe une analyse multi-échelles et une tranformée de Laplace inverse s'avérera, très probablement, très utile pour étudier la dynamique des systèmes de matière molle hors-équilibres, à la fois par des expériences de diffusion dynamique de la lumière (DLS) et de diffusion dynamique des rayons X (XPCS).

Dans, la seconde partie de la thèse, nous avons utilisé le montage de diffusion dynamique de la lumière et la méthode « Temps – Laplace » que nous avons développés dans la première partie pour réaliser plusieurs expériences de diffusion dynamique de la lumière sur des noyaux de cellules F9 (cellules souches de souris), et de cellules Hela (cellules cancéreuses humaines), dans différentes conditions de culture. Pour les expériences sur les cellules F9, nous avons dû développer un protocole particulier, à base de fibronectine et de poly-D-lysine, afin de pouvoir faire adhérer ces cellules sur une surface de verre. Ces expériences nous ont permis d'obtenir des spectres de la dynamique des noyaux cellulaires à la fois fiables et précis et de l’évolution de cette dynamique en fonction du temps. Grâce à ces spectres, nous avons pu mettre en évidence l'existence de plusieurs temps caractéristiques bien définis, entre 10-3 s et quelques centaines de secondes, dont certains semblent être présents en permanence dans le signal de diffusion alors que d'autres, au contraire, apparaissent et disparaissent au cours du temps, ou des conditions physiologiques. Ces analyses de signaux indiquent que l'activité biologique du noyau contrôle sa dynamique.