From cell behavior to embryonic morphogenesis : mechanogenetic modeling and computational simulation of early animal development

• Auteur / Autrice : Julien Delile
• Direction : Nadine Peyriéras, René Doursat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Frontières du vivant
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Embryologie

Danio rerio

Biomécanique

Régulation génétique

Morphogenèse

Résumé

Ce travail présente un modèle théorique de morphogenèse animale, sous la forme d'un système complexe émergeant de nombreux comportements cellulaires. Son implémentation repose sur un système multi-agents fondé sur le couplage mécano-génétique entre les dynamiques de la mécanique cellulaire et de la régulation génétique et moléculaire. Notre objectif est l'intégration des mouvements collectifs de myriades de cellules avec les dynamiques d'expression génétique sous-jacentes aux motifs des champs morphogénétiques. Nous examinons aussi les relations de causalité ascendante reliant les comportements cellulaires locaux aux déformations tissulaires globales. Le comportement mécanique de chaque cellule est associé à leur constitution moléculaire et génétique. Nous nous intéressons particulièrement au phénomène d'intercalation cellulaire induit par des comportements de protrusion active. Différents épisodes morphogénétiques se déroulant au cours des 10 premières heures de développement du poisson zébré sont explorés : la période de clivage, la formation de la couche épithéliale externe l'épibolie, l'internalisation du mésendoderme et la convergence-extension de l'axe antéro-postérieur. Pour chacun de ces phénomènes, une étude de cas examine le rôle respectif des différents tissus impliqués. Les hypothèses que nous proposons sont discutées au moyen de comparaisons automatisées entre les mesures reconstruites issues des données d'imagerie microscopique et des simulations computationnelles. Les reconstructions présentées incluent les champs de déplacements cellulaires in toto en 4 dimensions (3D + temps) de l'embryon de poisson zébré. Le modèle est paramétré à travers une interface inspirée du concept de paysage épigénétique de Waddington, permettant de spécifier les phénomènes d'induction et d'interaction mécanique à l'échelle des champs morphogénétiques.

We present a theoretical model of animal morphogenesis construed as a self-organized phenomenon emerging from a complex system made of a myriad of individual cell behaviors. It is implemented in an agent-based simulation centered on the mechanic-chemical coupling between cellular and genetic dynamics. The goal is to integrate the collective motion of cells and the dynamics of their gene expression underlying the patterning of morphogenetic fields. We also investigate the causal bottom-up link from local cell behavior to global tissue deformation. Each cell's mechanical behavior is mapped from its molecular and genetic identity. Among these behaviors, we focus particularly on cell intercalation as an active process driving tissue deformation. We operate this model to explore the different morphogenetic episode occuring through the first 10 hours of the zebrafish development : cell segmentation, enveloping layer formation, epiboly, internalization and convergence-extension. For each specific episode, a case study is realized to decipher the respective role of the different tissue involved. Quantitative measures reconstructed from both the simulated and the experimental data are compared to automatically explore the multi-dimensional parameter spaces of our hypotheses and their interpretation. Various state of the art computational reconstruction will be presented, including global 4D (3D + time) displacement fields from in toto data of the developing zebrafish embryos. A waddingtonian interactive timeline tool to specifiy intra and inter tissue induction and mechanical behaviors is also proposed.