Formation des motifs cutanés aviaires : modélisation mathématique de dynamiques embryonnaires

Embryonic patterning of the avian skin : mathematical modelling of embryonic dynamics

• Auteur / Autrice : Richard Bailleul
• Direction : Jonathan Touboul, Marie Manceau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 10/07/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Luis Almeida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Perthame, Anna Marciniak-Czochra
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philip K. Maini, Fréderic Michon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimiotaxie

Équations de réaction-diffusion

Prolifération cellulaire

Modèles mathématiques

Plumes

Oiseaux -- Anatomie

Mots clés libres

Motifs cutanés

Modélisation mathématique

Prolifération cellulaire

Réaction-diffusion

Chimiotaxie

Conditions initiales

Skin patterns

Mathematical modelling

Cellular proliferation

Reaction-diffusion

Chemotaxis

Initial conditions

Résumé

Depuis la publication par Alan Turing de son article ‘The Chemical Basis of Morphogenesis” en 1952, une révolution moléculaire a eu lieu en biologie et les mathématiciens ont fourni un nombre croissant de cadres théoriques afin de modéliser des motifs observés dans la nature. Cette thèse a pour objectif d’unifier les récentes découvertes dans ces deux domaines en proposant un cadre théorique et des schémas de développement pour l’émergence des motifs cutanés aviaires par l’étude de la dynamique de formation du plumage dorsal. J'ai caractérisé l'apparition des primordiums de plumes dans le dos de plusieurs espèces d'oiseaux : poulets, cailles, faisans, diamants mandarins, émeus et manchots. Chez les quatre premières espèces, la peau est structurée de manière reproductible : de minces domaines de compétence longitudinaux, marqués par la bêta-caténine, déclenchent une vague de rangées formant des plumes qui se propagent latéralement. Le processus est très différent chez les émeus et manchots: les plumes s'individualisent dans des domaines compétents et apparaissent rapidement sur toute la peau, de manière régulière ou irrégulière. J'ai ensuite reproduit les attributs de cette dynamique avec un modèle unifié de réaction-diffusion-chimiotactisme, avec un terme de prolifération logistique. En ajustant les conditions initiales, ce modèle récapitule les différentes dynamiques de patterning observées, et prédit que la prolifération cellulaire contrôle la synchronisation du processus de configuration. Ce modèle étude ouvre des perspectives concernant l'évolution des motifs cutanés et discute les origines de propriétés de ces motifs tels que leur régularité et leur directionalité.

Since Alan Turing’s milestone paper ‘The Chemical Basis of Morphogenesis” in 1952, a molecular revolution has taken place in biology and mathematicians have provided an increasing number of theoretical models that are able to generate many of the patterns observed in nature. This thesis aimed at unifying the extensive findings in both fields to propose theoretical frameworks and developmental schemes for the emergence of avian skin patterns, with a particular focus on dorsal plumage dynamics. I characterised the appearance of feather primordia in the dorsum of several bird species, namely chickens, quails, pheasants, zebra finches, emus and penguins. In the first four species, the patterning of the dorsal skin occurs in a highly reproducible manner: thin longitudinal domains of competence, marked by beta-catenin, trigger a wave of feather-forming rows that propagate laterally in a timely fashion, eventually forming feather tracts. In flightless emus and penguins, the process is much different: feathers first individualise within large competent domains, and later appear throughout the whole skin, in a quick and regular or irregular fashion. I then reproduced shared and varying attributes of these dynamics with a unified reaction-diffusion-chemotaxis model with logistic cell proliferation, which I used in a predictive way. It recapitulates all varying attributes of the patterning processes by tuning initial conditions, and predicts that cell proliferation controls the timing of the patterning process. Our framework opens up evolutionary perspectives, and the origins of pattern attributes such as regularity and directionality are discussed.