Du rôle des forces mécaniques dans l'auto-organisation embryonnaire

On the role of mechanical forces in embryonic self-organization

• Auteur / Autrice : Paolo Caldarelli
• Direction : Jérôme Gros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 29/10/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité régulation dynamique de la morphogenèse (2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Labouesse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Corson, Alfonso Martinez Arias
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yanlan Mao, Nandan Nerurkar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie -- Modèles mathématiques

Tissus (histologie) -- Propriétés mécaniques

Embryologie

Morphogenèse

Mots clés libres

Auto-organisation

Contractilité

Mécanique

Mise à l'échelle

Turing

Plasticité du destin cellulaire

Embryon aviaire

Patterning

Self-organisation

Contractility

Mechanics

Scaling up

Turing

Cell fat plasticity

Avian embryo

Patterning

Résumé

Les cellules se divisent, migrent, se réarrangent et acquièrent différents destins au cours du développement embryonnaire tout en s'organisant de manière à constituer un organisme de forme adéquate. Il est de plus en plus reconnu que la régulation de ces événements est contrôlée par des mécanismes d'auto-organisation. À la suite des travaux pionniers d'Alan Turing, qui a postulé, dans son modèle de réaction-diffusion, que l'interaction entre les molécules pouvait contrôler l'auto-organisation, des études ultérieures se sont concentrées sur l'identification des molécules de signalisation répondant aux critères de Turing. Cependant, alors que les forces mécaniques sont générées et propagées à l'échelle des tissus au cours de la morphogenèse, la possibilité qu'elles puissent agir comme des signaux dans l'auto-organisation embryonnaire est largement sous-explorée. L'embryon aviaire au stade de gastrula, qui se prête bien aux approches d'imagerie sur embryon vivant et aux perturbations mécaniques, constitue un excellent modèle pour étudier le rôle des forces mécaniques au cours du développement. En outre, les expériences classiques ont démontré la nature hautement régulatrice et auto-organisée du développement précoce des oiseaux : lorsque le disque épithélial précoce (blastoderme) est divisé en deux, des embryons entièrement formés émergent de chaque partie séparée. Bien que des travaux récents effectués au laboratoire aient permis de dresser un tableau précis des mécanismes qui façonnent l'embryon à ce stade, leur rôle dans la régulation et l'auto-organisation de l'embryon reste à étudier, et c'est précisément le sujet de cette thèse de doctorat. En collaboration avec un physicien, nous avons tout d'abord formulé un modèle mathématique qui rend compte de l’état stable des forces observées à la marge entre la région embryonnaire et extra-embryonnaire de l'embryon. Ce modèle est fondé sur l'hypothèse que la mécanique tissulaire à la marge s'auto-organise par analogie à un système mécanique de Turing : la contractilité tissulaire agit comme un activateur local et la tension tissulaire comme un inhibiteur à longue portée. Nous avons obtenu des prédictions novatrices, que nous avons testées expérimentalement pour évaluer la validité de notre modèle et, plus généralement, pour explorer le lien entre les forces mécaniques et l'expression génétique. Nous avons constaté que la modulation de la contractilité des tissus à la marge modifie l'expression normale de Gdf1, un morphogène clé dans la formation de l'embryon, et entraîne la formation de lignes primitives ectopiques (axe primaire du corps). Nous avons ensuite perturbé l'embryon mécaniquement. En utilisant l'imagerie sur embryon vivant et l'ablation au laser, nous avons pu orienter et bissecter précisément le blastoderme précoce. Nous avons constaté que dans les moitiés antérieures, la contractilité des tissus peut déclencher de manière ectopique l'expression de Gdf1 et la formation de lignes primitives. Par la suite, pour explorer davantage la rétroaction entre la mécanique des tissus et l'expression des gènes, nous nous sommes concentrés sur la moitié bissectée postérieure où Gdf1 est exprimé de manière endogène. Nous avons montré qu'après quelques heures suivant la coupe, les forces mécaniques se redimensionnent en fonction de la nouvelle taille de la marge et des domaines d'expression de Gdf1. De plus, nous avons également constaté que l'expression de certains marqueurs des territoires embryonnaires suivent le redimensionnement de la marge, suggérant un rôle actif de la mécanique tissulaire dans l'allocation du destin cellulaire au cours du développement. Enfin, nous avons montré que des lignes primitives ectopiques pouvaient se former en plaçant un obstacle physique à la marge, suivant une prédiction selon laquelle une friction ectopique s'ajoute au mouvement du tissu à la marge. [...]

During embryonic development, cells divide, migrate, rearrange, acquire different fates while organizing into a properly shaped organism. The regulation of these events is increasingly recognized to be controlled by self-organizing mechanisms. Following the seminal work of Alan Turing, who postulated, in his reaction-diffusion model, that self-organization could be controlled by the interaction between molecules, subsequent studies have focused on the identification of signaling molecules fulfilling Turing’s criteria. However, mechanical forces are generated and propagated at the tissue-scale level during morphogenesis, yet the possibility that they might act as signals in embryonic self-organization is largely underexplored. The gastrulating avian embryo, which is highly amenable to both live imaging approaches and mechanical perturbations, represents a great model to investigate the role of mechanical forces during development. Furthermore, classic experiments have demonstrated the highly regulative and self-organizing nature of early avian development: when the early epithelial disk (blastoderm) is bisected, fully formed embryos emerge from each separated part. Although recent work performed in the lab has drawn a precise mechanical picture that shapes the embryo at this stage, their role in regulating and self-organizing the embryo remains elusive, and it is the subject of this Ph.D. thesis. In collaboration with a physicist, we first formulated a mathematical model that accounts for the steady pattern of forces observed at the margin between the embryonic and extraembryonic region of the embryo. The model is based on the hypothesis that tissue mechanics at the margin self-organizes in analogy to a mechanical Turing system: tissue contractility acts as a local activator and tissue tension as a long-range inhibitor. We obtained unique predictions, which we tested experimentally to validate our model and ultimately explore the link between mechanical forces and gene expression. We found that modulation of tissue contractility at the margin alters the normal expression of Gdf1, a key morphogen in the formation of the embryo, and results in the formation of ectopic primitive streaks (primary body axis). We then perturbed the embryo mechanically. Using time-lapse imaging and laser ablation, we could orient and precisely bisect the early blastoderm. We found that in anterior halves, tissue contractility can ectopically initiate Gdf1 expression and primitive streak formation. Subsequently, to further explore the feedback between tissue mechanics and gene expression, we focused on the posterior bisected half where Gdf1 is endogenously expressed. We showed that after a few hours from the cut, the mechanical forces rescale according to the new size of the margin along with the expression domains of Gdf1. Moreover, we also found that the expression of selected embryonic territories markers follows the rescaling of the margin, suggesting an active role of tissue mechanics in allocating cell fate during development. Lastly, we showed that ectopic primitive streaks could form by placing a physical obstacle at the margin, following a prediction whereby ectopic friction is added to the motion of the tissue at the margin. This last result strongly argues against molecular diffusion as the driver of self-organization and rules out spurious events in the formation of ectopic embryos upon bisection (i.d. wound healing). Thus, this work uncovers the role of mechanical forces as signaling factors during embryonic development and demonstrates that tissue mechanics at the margin of the embryo self-organizes and underlies embryonic regulation in amniotes.