Evolution de la famille de gènes wnt, l'un des principaux activateurs des voies de signalisation wnt, au cours du développement des métazoaires

Evolution of the wnt gene family, one of the main activators of the wnt signaling pathways, during metazoan development

• Auteur / Autrice : Nicolas Robert
• Direction : Jenifer Croce
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie du développement de Villefranche-sur-Mer (Alpes-Maritimes ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Paola Furla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gianni Liti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Vervoort, Jean-Nicolas Volff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échinodermes

Gènes WNT

Embryologie

Développement

Métazoaires

Mots clés libres

Embryogénèse

Echinoderme

Évolution

Métazoaire

Signalisation Wnt

Patron d'expression de gène

Embryogenesis

Echinoderm

Metazoan

Résumé

Les voies de signalisation Wnt jouent un rôle important dans divers processus de l’embryogenèse des métazoaires. Par exemple, les signaux WNT sont requis pour l’établissement de la polarité cellulaire, les mouvements de tissus ou la mise en place de la polarité antéropostérieure. La signalisation Wnt tire son nom des protéines WNTs qui sont des protéines secrétées capables de signaler via leurs récepteurs membranaires FRIZZLED (FZD). Une interaction WNT-FZD peut déclencher au moins trois cascades de signalisation distinctes, selon le contexte cellulaire et les couples WNT-FZD impliqués. Chez l'homme, la dérégulation des voies de signalisation Wnt conduit, au cours du développement, à des maladies congénitales, ou chez l'adulte, à des cancers. La compréhension de la diversité numéraire des wnt et des fonctions biologiques qu’ils exercent représente donc un challenge contemporain qu’il est nécessaire de relever, non seulement au titre de l’acquisition de nouvelles connaissances, mais aussi en vue du développement de nouvelles approches à but de diagnostic ou de thérapie. Lors de ma thèse, je me suis dans un premier temps attaché à décrire les patrons d’expression temporels et spatiaux de l’ensemble des gènes wnt et fzd présents chez l’oursin Paracentrotus lividus. L’oursin, comme l’homme, appartient au phylum des deutérostomiens. De plus, son développement est simple et ses embryons se prêtent à l’expérimentation, du fait de multiples approches disponibles pour ce modèle. Par ailleurs, contrairement au lignage des vertébrés, celui de l’oursin n’a pas subi de duplications complète de génome, exhibant ainsi la même diversité de familles de gènes, mais avec moins de redondance au sein de ces dernières, ce qui facilite leur analyse. Etudier les mécanismes qui régissent l'embryogénèse de l’oursin permet donc d’apporter des informations quant aux mécanismes régissant celle des deuterostomes. Mes résultats mettent en évidence que les ligands wnt et les récepteurs fzd sont exprimés de façon dynamique au cours de l’embryogenèse de P. lividus. Fait intéressant, jusqu’à la gastrulation, les gènes codant les récepteurs FZD, présentent des patrons d’expressions distincts, leur somme couvrant néanmoins la très vaste majorité des territoires embryonnaires. Ainsi, cette étude a permis d’établir un catalogue des compatibilités spatio-temporelles potentielles entre les protéines WNT et FZD durant l’embryogenèse d’un deutérostomien, ainsi que des hypothèses quant aux rôles possibles jouées par ces protéines durant ce processus. Dans un second temps, je me suis intéressé à retracer l’évolution des protéines WNT, et à déterminer s’il existait une fonction intrinsèque ancestrale des WNT qui soit conservée, parmi les métazoaires. Pour cela, j’ai d’une part analysé la composition des répertoires wnt de dix-sept espèces de métazoaires, la séquence primaire des protéines qu’ils encodent, la position relative des wnt au sein de leurs génomes respectifs et, pour certaines espèces, l’environnement génomique des wnt. D’autre part, j’ai contribué à vérifier si trois ligands WNT d’éponge et une séquence ancestrale, calculée à partir d’un échantillon de séquences de métazoaires, étaient capable d’activer les voies de signalisation Wnt lorsqu’exprimées chez trois animaux planulozoaires (cnidaires et bilatériens). Les données obtenues au cours de cette étude ont permis d’établir un modèle de diversification de la famille de gènes wnt chez les métazoaires et ont révélé l’existence de fonctions intrinsèques conservées parmi les ligands WNT.

The Wnt signaling pathways play crucial roles during several processes of metazoan embryogenesis. For instance Wnt signaling is involved in morphogenetic movements as well as cell polarity and anteroposterior polarity establishment. Wnt signaling takes its name from the WNT proteins, which are secreted molecules that signal through their cognate receptors, the FRIZZLED (FZD) proteins. A WNT-FZD interaction may trigger several distinct intracellular signaling cascades, depending on the cellular context and the WNT-FZD couples involved. In humans, a deregulation of WNT signaling during embryonic development or adult life leads to congenital diseases and cancers, respectively. Understanding the great diversity of wnt genes and their biological functions is thus a modern-day challenge, which needs to be addressed, not only to foster general knowledge, but also to allow the identification of novel therapeutic targets and approaches towards future new medical applications.In the course of my Ph.D., I first aimed at describing the spatial and temporal expression patterns of all wnt and fzd genes present in the sea urchin, Paracentrotus lividus. Like humans, sea urchins belong to the deuterostome phyla. In addition, the early development of the sea urchin is relatively simple and is easy to interfere with, thanks to the experimental approaches available for this model. Moreover, the sea urchin lineage did not undergo whole genome duplications, unlike humans, exhibiting the same diversity of gene families, but with less redundancy within the subfamilies, thereby facilitating functional analyses. Thus, studying the mechanisms that drive sea urchin embryogenesis represent a valuable asset to provide insights into the conserved mechanisms controlling the development of deuterostomes. My results show that wnt and fzd genes are expressed in a dynamic fashion throughout P. lividus embryogenesis. Interestingly, until the gastrulation, the genes encoding FZD receptors are expressed in distinct territories that, taken together, cover almost the entire embryo. Accordingly, this work allowed me to establish a catalog of possible WNT-FZD couples likely to form during the embryogenesis of a deuterostome animal, based on the compatibility of their respective spatiotemporal distribution, and to further provide insights into the potential biological functions of these WNT and FZD proteins during this process. The second goal of my Ph.D. was to reconstruct the evolution of the WNT proteins and to determine whether an ancestral intrinsic function of WNTs is conserved within metazoans. To this end, I analyzed the composition of the wnt repertoires of seventeen metazoan species, the primary sequences of the WNT proteins they encode, the relative positions of the wnts within their respective genomes, and, for selected species, the genomic environment of their wnts. In addition, I investigated whether three sponge WNT ligands and an ancestral WNT sequence, which was calculated from a sample of metazoan WNT sequences, are able to trigger Wnt signaling pathways, when expressed in three planulozoan (cnidarian and bilaterian) species. The data obtained during this study allows me to propose a model for the diversification of wnt genes in metazoans and revealed conserved intrinsic functional capabilities for the WNT ligands.