Morphogénèse et développement pulmonaire

par Raphaël Clément

Thèse de doctorat en Interfaces Physique - Biologie

Sous la direction de Stéphane Douady.

Soutenue en 2011

à Paris 7 .

mots clés

• Poumon -- croissance et développement
• Morphogenèse
• Facteur de croissance fibroblastique de type 10
• Modèles biologiques

Résumé

La forme émerge à toutes les échelles et dans tous les systèmes physiques, vivants ou non, comme le résultat de l'interaction suivant certaines règles des différents éléments constituant le système. En biologie du développement, le contexte bio-moléculaire et le rôle du gène font souvent oublier que comme dans tout système, la forme naît suite à des interactions inscrites dans l'espace et dans le temps, interactions dont les gènes et leurs protéines sont certainement acteurs. La première partie du manuscrit se situe dans la lignée des expériences de croissance osmotique réalisée au XIXème siècle par Stéphane Leduc. Il consiste en la formation spontanée de tubes de silice poussant symétriquement autour d'une fracture se situant en leur milieu lors de l'injection d'une solution dans une seconde, un précipité se formant à l'interface. La suite du manuscrit est dédiée à l'étude de la morphogenèse pulmonaire chez les mammifères. Nous construirons d'abord le cadre théorique d'un modèle de croissance très général basé sur les observations de la biologie moléculaire et la géométrie de l'organe. Nous verrons comment de simples considérations de géométrie et de diffusion permettent d'expliquer le patterning des gènes impliqués et l'émergence des traits frappants de la morphologie du poumon embryonnaire : l'arborescence, l'évitement des bronches entre elles, et l'établissement d'une distance caractéristique entre l'épithélium distal et le mésenchyme distal. Nous introduirons aussi les outils théoriques permettant de comprendre les mécanismes impliqués. Enfin nous présenterons une expérience physique simple révélant des similitudes frappantes avec la croissance pulmonaire.

Titre traduit

Morphogenesis and lung development

Résumé

Shapes emerge at all scales and in ail physical Systems, living or not, as the result of interactions between the elements of the System according to a certain set of rules. In developmental biology, the molecular context and the central role of genes often mask that, as in any material system, geometrical shapes emerge following interactions well defined in time and space, interactions in which genes and proteins are definitely crucial actors. In this manuscript, we will study the morphogenesis of two distinct Systems. The first one refers to XIXth century's osmosis experiments by Dr. Stéphane Leduc. It consists in the spontaneous formation of silica tubes growing evenly on both sides of a central fracture, and occurs when injecting a solution in another, a precipitate forming at the interface. The rest of the manuscript deals with lung morphogenesis in mammals. We will first build the theoretical framework of a very general growth model based upon the observations of molecular biology as well as the geometry of the organ. Then, we will see how elementary considerations of geometry and diffusion account for the patterning of involved genes, and also for thé emergence of the striking features of embryonic lung morphology: the arborescence, the fact that bronchi never penetrate another, and the apparition of a characteristic distance between distal epithelium and mesothelium. We will also introduce theoretical tools that allow a deeper understanding of the underlying mechanisms. Last, we will present a simple experiment of viscous fingering based on our model's conclusions and presenting striking similarities with lung growth.