Optical volume and mass measurements show that mammalian cells swell during mitosis

International audienceThe extent, mechanism, and function of cell volume changes during specific cellular events, such as cell migration and cell division, have been poorly studied, mostly because of a lack of adequate techniques. Here we unambiguously report that a large range of mammalian cell types display a significant increase in volume during mitosis (up to 30%). We further show that this increase in volume is tightly linked to the mitotic state of the cell and not to its spread or rounded shape and is independent of the presence of an intact actomyosin cortex. Importantly, this volume increase is not accompanied by an increase in dry mass and thus corresponds to a decrease in cell density. This mitotic swelling might have important consequences for mitotic progression: it might contribute to produce strong pushing forces, allowing mitotic cells to round up; it might also, by lowering cytoplasmic density, contribute to the large change of physicochemical properties observed in mitotic cells

Exploring the Function of Cell Shape and Size during Mitosis

Dividing cells almost always adopt a spherical shape. This is true of most eukaryotic cells lacking a rigid cell wall and is observed in tissue culture and single-celled organisms, as well as in cells dividing inside tissues. While the mechanisms underlying this shape change are now well described, the functional importance of the spherical mitotic cell for the success of cell division has been thus far scarcely addressed. Here we discuss how mitotic rounding contributes to spindle assembly and positioning, as well as the potential consequences of abnormal mitotic cell shape and size on chromosome segregation, tissue growth, and cancer

Forces, croissance et division cellulaire

Most eukaryotic cells remodel their shape and round up at mitosis entry. Mitotic cell rounding (MCR) under confinement, as it happens in tissues, requires force generation. It is a way of generating sufficient space for the assembly and orientation of the mitotic spindle and is therefore of crucial importance for the outcome of the division. Cells in which this rounding is impeded present a higher number of errors in divisions. Such errors are deleterious for tissue homeostasis and in some cases might be a potential source of cancer transformation. Changes in cell volume at MCR have been a subject of scientific debate up to now, in part due to lack of adapted volume measurement methods.The present PhD thesis report aims at summarizing the state of knowledge regarding the subject of MCR and describes the major outcomes of this PhD project. It describes also methods of studying cell rounding under confinement and live cell volume measurement (FXm for Fluorescence eXclusion method). At last the report contains a general public introduction and the description of the educational and scientific mediation activities that has been realized in parallel to the experimental work. The principal goal of this PhD project was to study the mechanisms underlying MCR. In particular, the approach focused on the mechanism of force generation during rounding under confinement. In order to tackle the question, I co-developed and optimized novel techniques in cell biophysics, in particular controlled cell confinement and precise volume measurement of live cells. The development of professional skills in research, project development, teaching and scientific mediation constitute important side goals.A major finding of the presented work is that cells swell during MCR. This work provides both, a versatile and simple method for live cell volume measurements and evidences that cells increase their volume of up to 30% during MCR. This volume increase is potentially a source of hydrostatic pressure that can generate forces reaching 100 kPa which is enough to deform almost any tissue in the human body (bone stiffness is of approx. 100 kPa). This volume change is driven by reversible water influx and is independent of the actomyosin cortex functionality. On the other hand, a functional and stiff cortex is necessary for reaching a round shape if cells are under soft confinement which is the second major outcome of this project.This interdisciplinary work combines biological and physical approaches to study a fundamental process happening tens of billions of times per day in a human body. It unambiguously establishes that cell can increase their volume in mitosis and suggest that this might be a phenomenon underlying force generation in MCR. It also provides two ways of evaluating the robustness of cell rounding in mitosis; cell volume measurement by FXm and rounding under confinement. These two approaches can be further used to uncover molecular mechanisms underlying MCR. Once known, these in turn might become novel targets for cancer therapy, as most of tumor cells have to divide in stiffer environment and therefore provide more forces to round up and divide than normal cells.La plupart des cellules eucaryotes changent leur forme et s'arrondissent, deviennent sphériques, au moment de l’entrée en mitose. L'arrondissement des cellules mitotiques (ACM) sous confinement, comme c’est le cas dans les tissus, nécessite la génération de forces. Cet arrondissement est un moyen de garantir un espace suffisant pour assembler et orientater correctement le fuseau mitotique, il est donc d'une importance cruciale pour le résultat de la division. Les cellules dans lesquelles cet arrondissement est entravé présentent un nombre plus élevé d'erreurs dans les divisions. De telles erreurs, quand elles ne résultent pas dans la mort cellulaire, sont délétères pour l'homéostasie tissulaire et, dans certains cas, pourraient être une source potentielle de transformation cancéreuse. Les changements de volume cellulaire à l’ACM ont jusqu'à présent fait l'objet de débats scientifiques, en partie en raison du manque de méthodes de mesure de volume adaptées. Le présent rapport vise à résumer l'état des connaissances sur le sujet de l’ACM et décrit les principaux résultats de ce projet de doctoral. Il décrit également des méthodes d'étude de l'arrondissement cellulaire sous confinement et de mesure du volume de cellules vivantes (méthode FXm pour Fluorescence eXclusion). Enfin le rapport contient une introduction grand public et la description des activités de médiation pédagogique et scientifique qui ont été réalisées parallèlement au travail expérimental. L'objectif principal de ce projet de thèse était d'étudier les mécanismes sous-jacents à l’ACM. En particulier, l'approche s'est concentrée sur le mécanisme de génération de forces lors de l'arrondissage sous confinement. Afin d'aborder la question, j'ai co-développé et optimisé de nouvelles techniques en biophysique cellulaire, notamment le confinement cellulaire à hauteur contrôlée et la mesure précise du volume des cellules vivantes. Le développement des compétences professionnelles dans la recherche, le développement de projets, l'enseignement et la médiation scientifique constituent des objectifs secondaires importants. Une des résultats majeur du travail présenté est que les cellules gonflent pendant l’ACM. Ce travail fournit à la fois une méthode polyvalente et simple pour les mesures de volume de cellules vivantes et des preuves que les cellules augmentent leur volume jusqu'à 30 % au cours de l’ACM. Cette augmentation de volume est potentiellement une source de pression hydrostatique pouvant générer des forces atteignant 100 kPa, suffisantes pour déformer la quasi-totalité des tissus du corps humain (la raideur osseuse est d'environ 100 kPa). Ce changement de volume est entraîné par un afflux d'eau réversible et est indépendant de la fonctionnalité du cortex d'actomyosine. D'autre part, un cortex fonctionnel et rigide est nécessaire pour atteindre une forme ronde si les cellules sont sous confinement doux, ce qui est le deuxième résultat majeur de ce projet. Ce travail interdisciplinaire combine des approches biologiques et physiques pour étudier un processus fondamental qui se produit des dizaines de milliards de fois par jour dans un corps humain. Il établit sans ambiguïté que la cellule peut augmenter son volume en mitose et suggère que cela pourrait être un phénomène sous-jacent à la génération de force dans l’ACM. Il fournit également deux façons d'évaluer la robustesse de l'arrondissement cellulaire en mitose ; mesure du volume cellulaire par FXm et arrondissement sous confinement. Ces deux approches peuvent être utilisées pour découvrir les mécanismes moléculaires sous-jacents à l’ACM. Une fois connus, ceux-ci pourraient à leur tour devenir de nouvelles cibles pour le traitement du cancer, car la plupart des cellules tumorales doivent se diviser dans un environnement plus rigide et fournir donc plus de forces pour s’arrondir et se diviser que les cellules normales