Décodage des réseaux géniques impliqués dans le remodelage cellulaire chez l'embryon de Drosophila melanogaster

Decoding networks implicated in cell remodeling in drosophila melanogaster embryo

• Auteur / Autrice : Delphine Menoret
• Direction : Serge Plaza, François Payre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drosophila melanogaster

Morphogenèse

Régulation génétique

Mots clés libres

Réseaux géniques

Crm

Remodelage cellulaire

Résumé

La fonction de chacune de nos cellules dépend d'un contrôle précis de son organisation tridimensionnelle. Des surdités génétiques sont par exemple dues à des défauts des extensions cellulaires de l'oreille interne, et la morphologie altérée des cellules cancéreuses favorise l'invasion tumorale. Il est bien établi que les cellules acquièrent progressivement leur forme au cours du développement de l'embryon, mais les mécanismes intimes de la différenciation morphologique restent mal compris. Comment des cellules qui contiennent toutes le même génome peuvent produire des formes aussi différentes ; certains de nos neurones sont 200 000 fois plus longs que nos globules rouges ! Pour aborder ces questions, mes travaux se sont concentrés sur le décryptage des mécanismes de différenciation morphologique de l'épiderme embryonnaire de drosophile. Nous avons entrepris un large effort multidisciplinaire international, impliquant génomique fonctionnelle, bioinformatique, physique et mathématique pour identifier, à l'échelle du génome entier, l'ensemble des effecteurs de la morphogénèse épidermique et leurs éléments de régulation transcriptionnels associés. Nos résultats établissent, pour la première fois à notre connaissance, le répertoire '' exhaustif '' des gènes directement responsables du remodelage de la forme d'un type cellulaire. Ces données montrent la variété insoupçonnée des différentes fonctions impliquées, incluant régulateurs du cytosquelette, de la matrice extracellulaire, du trafic vésiculaire, de la polarité cellulaire, et de nombreuses protéines au rôle encore inconnu. D'autre part, nous avons établi la cartographie génomique des éléments cis régulateurs, dits CRMs, qui dirigent la transcription des gènes effecteurs de la morphogenèse dans les cellules épidermiques. Par approche transgénique, nous avons démontré la fonctionnalité de plus d'une vingtaine de CRMs. En couplant dissection fonctionnelle in vivo et modélisation computationnelle, nous avons pu commencer à décrypter l'architecture fonctionnelle de ces CRMs, éclairant d'un jour nouveau la logique du contrôle de l'expression du génome. Enfin, nous avons découvert un deuxième programme transcriptionnel qui contrôle la temporalité de la différenciation de l'épiderme. Nous identifions plusieurs centaines de gènes dont l'expression doit être normalement restreinte aux étapes post-embryonnaires du développement. Nous montrons que ces deux programmes indépendants, morphogenèse et différenciation, sont cependant coordonnés par des microprotéines régulatrices, récemment découvertes au laboratoire. Ce travail met en évidence l'intérêt et les limites des nouvelles approches globales d'analyse de l'expression des gènes et démontre la puissance d'une démarche multidisciplinaire en biologie du développement. Il révèle l'étendue des acteurs du contrôle de la morphologie cellulaire et élucide les mécanismes permettant la coordination de leur expression.

Cell function depends on a fine control of its morphogenesis. Morphological defects of cancer cell promote cell invasion, and genetic deafness depend on defects of inner ear cells extension. It is well known that cells acquire their shape during development, but mechanisms underlying morphological differentiation are not well described. How cells containing the same genome can finally present such morphological diversity? To answer to this question, we undertook the deciphering of mechanisms implicated in morphological differentiation of the epidermis during drosophila embryonic development. Based on multidisciplinary approaches (functional genomic, bio-informatic, physic and mathematic), we identify at the genome scale the set of epidermal morphogenesis effectors and their respective regulatory elements. For the first time, the ''exhaustive'' set of genes implicated in shape remodeling of a specific cell type is described, bringing on light an unexpected wide variety of functions, including cytoskeleton, extracellular matrix, vesicular trafficking, planar cell polarity regulators, and unknown proteins. We also describe the genomic mapping of cis-regulatory elements (CRMs) driving transcription of effector genes implicated in epidermal morphogenesis. By transgenic assays we demonstrate in vivo the functionality of about twenty CRMs. Functional dissections associated to in silico modeling permit the deciphering of functional organization of these CRMs, putting forward the logic of the gene expression. Finally we also identify a new transcriptional program controlling the timing of epidermis differentiation. We discover thousands of genes of which expression is restricted to post-embryonic steps of development, and show that the differentiation and morphogenesis programs are finally coordinated by recently identified regulatory micro-proteins. This work brings to light the interest and the limits of new genome wide technics for gene expression analysis, and demonstrates the power of a multidisciplinary approach for developmental biology. It also reveals the extent of cell morphology regulators, and mechanisms implicated in the coordination of their expression.