Rossana BETTONI - Faculté des Sciences

Titre de la thèse: Exploring the link between signaling, geometry and information transmission: modeling neural fate induction in ascidian embryonic development
Résumé:

Au cours du développement embryonnaire, les cellules adoptent différentes identités avec une précision spatiale et temporelle remarquable. Malgré des progrès récents, les mécanismes régissant l’induction du destin cellulaire ne sont pas encore complètement élucidés. En particulier, le rôle de la mécanique et de la géométrie des cellules dans l’embryon n’a été abordé que récemment. Dans ce travail, nous étudions les mécanismes régulant l’induction neuronale chez l’ascidie.

Au cours de l’induction neurale, qui se produit dans les embryons d’ascidie au stade de 32 cellules, 4 des 16 cellules de l’ectoderme adoptent le destin neural, caractérisé par l’expression du marqueur neural Otx. Ce processus est initié au niveau extracellulaire par deux types de molécules de signalisation, FGF et éphrine, qui contrôlent le destin neuronal par un processus en deux étapes impliquant d’abord l’activation de la voie ERK et ensuite l’expression du gène Otx. La combinaison des deux signaux antagonistes (le FGF active la voie ERK, tandis que l’éphrine atténue l’activité ERK) contrôle étroitement le niveau d’expression d’Otx dans toutes les cellules de l’ectoderme. Il est intéressant de noter que seule une fraction des cellules exposées à l’inducteur FGF acquiert le destin neuronal.

Nous avons utilisé la modélisation mathématique pour démontrer que cette sélectivité est contrôlée par la géométrie quasi-invariante de l’embryon, qui impose à chaque cellule de l’ectoderme une surface de contact spécifique avec les cellules voisines exprimant le FGF. Notre modèle, basé sur des équations différentielles ordinaires, reproduit avec succès les observations expérimentales sur l’activation d’ERK et l’expression d’Otx obtenues dans des conditions normales et perturbées. Avec le modèle, nous avons étudié le rôle joué par le FGF et l’éphrin ainsi que le rôle de deux facteurs de transcription antagonistes qui régulent l’expression d’Otx.

Nous avons également étudié la transmission de l’information lors de l’induction neuronale et la manière dont celle-ci dépend de la géométrie des cellules. En optimisant la transmission de l’information entre le FGF et le nombre de molécules ERK actives, sous la contrainte d’une surface totale restreinte de cellules émettrices de FGF, nous avons trouvé que les surfaces de contact avec le FGF qui maximisent la transmission de l’information sont compatibles avec celles mesurées expérimentalement.

Nos travaux suggèrent que l’induction neuronale de l’ascidie pourrait être une conséquence des contraintes géométriques imposées au système par les surfaces de contact entre les cellules au sein de l’embryon.