Biomécanique de la gastrulation chez Drosophila Melanogaster

par Philippe-Alexandre Pouille

Thèse de doctorat en Biomécanique, mécanique des systèmes biologiques

Sous la direction de Emmanuel Farge.

Soutenue en 2009

à Paris 7 .

mots clés

• Phénomènes biomécaniques
• Développement embryonnaire
• Drosophila melanogaster
• Gastrulation -- instrumentation
• Modèles biologiques

Résumé

L'embryogenèse implique les réseaux d'interaction de gènes, la différenciation épigénétique et les cascades biochimiques, mais aussi les propriétés physiques des tissus, afin de contrôler précisément les changements morphologiques. Le modèle animal est Drosophila Melanogaster] l'événement morphogénétique étudié est l'invagination du mésoderme ventral lors de la gastrulation, qui se déroule en deux étapes principales : une phase lente de constriction stochastique des apex suivie d'une phase rapide de contraction globale. La thèse analyse les composants biomécaniques de l'embryon précoce et la dynamique de la gastrulation. Une structure élémentaire est choisie, un modèle hydrodynamique est construit et l'invagination simulée pour un premier résultat : un unique processus actif est suffisant pour reproduire en détail les changements phénotypiques durant l'invagination, à l'exception de la phase stochastique. Les gènes et les voies de transduction biochimiques impliquées sont analysés et la nécessité d'une boucle de rétroaction entre constriction stochastique et contraction globale est discutée ; une hypothèse de capteur mécanique est proposée et testée expérimentalement. De nouvelles simulations implémentant le contrôle génétique et biochimique ainsi que la boucle de rétroaction dans la modélisation biomécanique illustre la validité de la proposition : la contraction globale des apex conduisant à l'invagination ventrale est induite par une boucle de rétroaction positive des contraintes mécaniques accumulées lors de la constriction stochastique.

Titre traduit

Physics of ventral invagination during gastrulation of drosophila melanogaster embryo : biomechanics, biochemistry and modelling

Résumé

Embryogenesis involves genetic network, epigenetic differentiation and biochemical cascades, but also physical properties of the tissues, to shape a precise morphology at each step of the process. The animal model used is Drosophila Melanogaster] the morphogenetic event studied is the invagination of ventral mesoderm during gastrulation, which proceeds in two main steps: a slow phase of apical stochastic constrictions followed by a rapid phase of global apex contraction. The thesis analyses the biomechanical components of the early embryo and the dynamics of its gastrulation. An elementary structure is selected, a hydrodynamic model is constructed and the invagination simulated, providing a first result: one active process alone is sufficient to reproduce in details the phenotypic changes during invagination, except the first stochastic phase of constriction. The genetic network and biochemical pathways involved are analysed and the need of a mechanical feedback linking the stochastic constriction to global contraction is discussed; ahypothesis of the mechanical sensor is proposed and tested experimentally. New simulations implementing the genetic and biochemical control and the presumed feedback mechanism into the former biomechanical modelling illustrates the accuracy of the assumption: the global contraction of the ventral cell apices leading to invagination is induced by a positive feedback from the mechanical constrains accumulated during previous stochastic constriction.