Fanny Wodrascka

Delamination within stratified epithelia like the skin epidermis describes the detachment and upward motion of cells originating from the basal layer. Despite its fundamental importance for tissue development, homeostatic regeneration and repair, the mechanisms that drive delamination remain a longstanding open question. Upward motion follows cell shape changes, which are inherently driven by physical forces, but their role is elusive. Here, we investigate delamination in stratifying keratinocytes by combining imaging, force measurements and theoretical modeling. We identify a local change in force balance between differentiating cells and their environment as the key step initiating delamination. Within a homogeneous cell layer with apically polarized contractility, differentiation leads to actomyosin remodeling, redistributing cellular force exertion to the basal side. Such mechanical heterogeneity then results in differentiating cells experiencing and inward basal and outward apical forces that manifest in the formation of a +1 force defect and promote shape changes culminating in upward motion. Simultaneously, delaminating cells actively pull on their underlying neighbors, generating convergent tissue flows which close the basal layer below. Together, we propose a general physical description of delamination initiation, which may act across various multilayered epithelia.

Dense active materials, from cellular tissues to jammed and glassy systems, must continuously relieve internal mechanical stress to remain structurally stable as they are driven far from equilibrium. In epithelial tissues, this relief occurs through cell division, yet what sets the geometry of this structural remodeling event has, for over a century, been attributed to a purely geometric principle: Hertwig’s rule, whereby cells divide along their long axis. We show that as epithelial tissues densify and cell shape anisotropy collapses, this geometric rule is superseded by a mechanical one in which dense epithelia relieve anisotropic stress by cells dividing along their principal axis, independent of the tissue’s isotropic stress state. Using direct force measurement and stress inference, we show that stress orientation, rather than cell shape, governs the axis of cell division across mechanically distinct systems, from fluid-like to jammed monolayers and structurally heterogeneous organoids, remaining predictive precisely where the classical geometric rule fails. This stress-oriented remodeling is reciprocally coupled to the material’s mechanical state: anisotropic stress accelerates the underlying remodeling rate, while each remodeling event locally dissipates the stress that triggered it, closing a negative feedback loop. This “principal-stress rule” recasts epithelial cell division as a stress-relief mechanism intrinsic to dense active matter, providing a general mechanical framework linking internal stress, structural remodeling, and homeostasis in living materials.

Contrôle mécanique de l'extrusion des cellules épithéliales via la contractilité dépendante de RhoA: Les tissus épithéliaux maintiennent leur structure et leur fonction grâce à une régulation stricte de l'équilibre entre la prolifération et l'élimination cellulaires. Cet équilibre garantit l'intégrité fonctionnelle et l'organisation correcte du tissu. Sa perturbation peut entraîner une surpopulation ou une dégénérescence tissulaire, contribuant ainsi au développement de diverses pathologies. Un des mécanismes clés permettant l'élimination des cellules aberrantes ou en excès dans le tissu est l'extrusion cellulaire, un processus conservé par lequel les cellules sont expulsées du tissu. Les cellules extrudées peuvent être soit apoptotiques, soit vivantes. Des travaux antérieurs ont montré que la compression, générée par la compaction tissulaire, les défauts topologiques, ainsi que la compétition cellulaire, jouent tous un rôle dans ce processus. Il est également établi que l'activation de RhoA induite par la tension est nécessaire à l'extrusion, tant dans la cellule extrudée que dans ses voisines immédiates. Cette observation soulève la question centrale de cette thèse : comment la tension mécanique, à différentes échelles, influence-t-elle l'extrusion cellulaire ? Certaines cellules extrudées subissent une apoptose via activation des caspases, tandis que d'autres quittent l'épithélium vivantes, suggérant un lien avec la progression tumorale en cas de dérégulation. Les voies de signalisation intracellulaires jouent un rôle majeur. Lors d'une extrusion apoptotique, la cellule libère de la sphingosine-1-phosphate, qui active la GTPase RhoA dans les cellules voisines. Cela favorise la formation d'un anneau contractile d'acto-myosine qui expulse la cellule apoptotique. Le remodelage du cytosquelette, avec la formation de câbles d'actine et de lamellipodes, souligne d'avantage l'importance de l'environnement mécanique dans le processus d'extrusion. Comprendre comment les cellules perçoivent et répondent aux contraintes mécaniques est donc fondamental. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé des outils d'optogénétique afin d'activer localement RhoA grâce au système photosensible CIBN-CRY2. Cette approche a permis une modulation précise de l'activité de RhoA dans le tissu, combinée à la microscopie à force de traction et à la Bayesian Inversion Stress Microscopy pour quantifier la réponse mécanique à l'échelle tissulaire et cellulaire. Les travaux présentés dans cette thèse montrent que la contractilité induite par RhoA à l'échelle multicellulaire génère une tension tissulaire suffisante pour déclencher l'extrusion. Une augmentation claire de la tension a été observée aux sites d'extrusion avant leur initiation. L'activation de RhoA entraîne également un enrichissement de l'acto-myosine au pôle basal des cellules, accompagné d'un remodelage spécifique des fibres de stress et d'un affaiblissement des jonctions cellule-cellule précédant l'extrusion. Notamment, nous avons observé des extrusions à la fois apicales et basales, avec une majorité d'événements orientés vers la matrice extracellulaire. Ces extrusions basales se produisent indépendamment de l'activation des caspases et de Piezo1, contrairement aux modèles précédemment décrits d'extrusion induite par stress compressif. Cela suggère que la redistribution des forces, via un ancrage renforcé à l'ECM et un affaiblissement de l'adhésion intercellulaire, contribue à l'orientation basale de l'extrusion. Dans l'ensemble, ce travail soutient un modèle selon lequel les cellules hypercontractiles, associées à une tension mécanique à différentes échelles, sont extrudées via une voie dépendante de RhoA, et indépendante des caspases et de Piezo1. De plus, l'orientation de l'extrusion influence le destin cellulaire, établissant un lien entre les contraintes mécaniques et l'homéostasie des tissus épithéliaux.