Bruit et robustesse en aval d'un gradient morphogénétique : une approche quantitative par imagerie de la transcription dans les embryons vivants

Noise and robustness downstream of a morphogen gradient : Quantitative approach by imaging transcription dynamics in living embryos

• Auteur / Autrice : Carmina Angelica Perez Romero
• Direction : Nathalie Dostatni, Cecile Fradin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 29/03/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec McMaster university (Hamilton, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique du noyau (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Ray Truant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Teysset, Joshua Milstein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul François, Eric Lecuyer
• DOI : 10.70675/83569907z1584z4c28za8fazec1ec7d82c16

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physiologie

Drosophiles

Facteurs de transcription

Expression génique

Stades embryonnaires

Génétique du développement

Différenciation cellulaire

Mots clés libres

Gradient morphogénétique

Imagerie de la transcription en temps réel

Développement embryonnaire

Drosophile

Gradient de Bicoid

Gènes rapporteurs synthétiques

Morphogen gradient

Live imaging of transcription

Embryonic development

Résumé

La différenciation des cellules est souvent déclenchée par les gradients de molécules appelées morphogènes. Un paradigme simple pour l’étude des morphogènes est le gradient de Bicoid, qui détermine l’identité cellulaire le long de l’axe antéro-postérieur chez la mouche du vinaigre. Ce facteur de transcription permet l'expression rapide de son principal gène cible, hunchback, dans la moitié antérieure de l’embryon dans un domaine d’expression avec une bordure très franche. En utilisant le système MS2 rendant fluorescents des ARN dans les embryons vivants, nous avons montré que la transcription au promoteur d’hunchback est « bursty ». De manière surprenante, il suffit de 3 minutes, après la première détection de transcription à l’antérieur, pour que la bordure franche du domaine d’expression soit précisément positionnée au milieu de l’embryon. Afin de mieux comprendre le rôle des facteurs de transcription autres que Bicoid dans ce processus, j’ai utilisé une double stratégie impliquant des gènes rapporteurs MS2 synthétiques combinés à l’analyse du gène rapporteur hunchback MS2 dans des contextes génétiques mutants. L’analyse des gènes rapporteurs synthétiques indique que Bicoid est capable d’activer la transcription à elle seule en se fixant sur le promoteur mais de manière stochastique. La fixation d’Hunchback sur un promoteur régulé par Bicoid réduit cette stochasticité alors que Caudal agirait comme un gradient postérieur répresseur. L’ensemble de ces travaux apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes assurant une réponse transcriptionnelle précise en aval du morphogène Bicoid.

During development, cell differentiation frequently occurs upon signaling from gradients of molecules, called morphogens. A simple paradigm to study morphogens is the Bicoid gradient, which determines antero-posterior patterning in fruit fly embryos. This transcription factor allows the rapid expression of its major target gene hunchback, in an anterior domain with a sharp boundary. Using the MS2 system to fluorescently tag RNA in living embryos, we were able to show that the ongoing transcription process at the hunchback promoter is bursty Surprisingly, it takes only 3 minutes, from the first hints of transcription at the anterior to reach steady state with the setting of the sharp expression border in the middle of the embryo. To better understand the role of transcription factors other than Bicoid in this process, I used a two-pronged strategy involving synthetic MS2 reporters combined with the analysis of the hunchback MS2 reporter in various mutant backgrounds. The synthetic reporter approach, indicate that Bicoid is able to activate transcription on its own when bound to the promoter but in a stochastic manner. The binding of Hunchback to the Bicoid-dependent promoter reduces this stochasticity while Caudal might act as a posterior repressor gradient. Altogether, this work provide a new light on the mechanisms insuring a precise transcriptional response downstream of Bicoid.