Comparaison des types de cellules entre les stades de vie de l'hydrozoaire clytia hemisphaerica

Comparison of cell types across life cycle stages of the hydrozoan Clytia hemisphaerica

• Auteur / Autrice : Anna Ferraioli
• Direction : Richard Copley, Evelyn Houliston
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie du développement de Villefranche-sur-Mer (Alpes-Maritimes ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Röttinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Bertrand, Mathilde Paris, Thomas Lamonerie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Röttinger, Maria Ina Arnone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séquençage à haut débit

Différenciation (biologie)

Cytologie du développement

Évolution

Hydrozoaires

Mots clés libres

Single cell RNA sequencing

Hydrozoaire

Évolution

Développement

Cycle de vie

Single cell RNA sequencing

Hydrozoa

Evolution

Development

Résumé

L'Hydrozoaire Clytia hemisphaerica présente un cycle de vie triphasique, typique des hydrozoaires, comprenant une colonie de polypes à propagation végétative et une forme nageant librement, la méduse qui est se reproduisent de façon sexuée. Les méduses mâles et femelles se reproduisent quotidiennement, déclenchées par la lumière et environ un jour après la fécondation, une larve planula ciliée se forme. Après trois jours, la planula se fixe sur le substrat et se métamorphose pour donner naissance à un polype fondateur de la colonie, destiné pour l’alimentation, le gastrozooïde. La colonie se propage par extension du stolon et un deuxième type de polype, le gonozooïde, libère des méduses par bourgeonnement. L'analyse du génome et des transcriptomes à travers les trois principaux stades de vie de Clytia ont révélé des programmes d'expression génique spécifiques à chaque étape (Leclère et al. 2019, Nat Eco & Evo). Nous étendons maintenant cette comparaison au niveau des types cellulaire en utilisant la technologie du Single Cell RNA-seq chez la méduse et la larve de Clytia. Avec L. Leclère et S. Chevalier (LBDV), nous avons généré un atlas cellulaire de la méduse femelle en collaboration avec T. Chari et J. Gehring du laboratoire de L. Pachter et B. Weissbourd du laboratoire de D. Anderson à Caltech (Chari et al. 2021, Science Advances). L'analyse de l'atlas cellulaire de la méduse a révélé huit classes cellulaires, dont l'épiderme et le gastroderme, les cellules bioluminescentes, les ovocytes et les cellules souches multipotentes (I-Cells) des hydrozoaires et leurs dérivés tels que les cellules neurales, les nématocytes et les cellules glandulaires. L'analyse par hybridation in situ des profils d'expression ont révélé des sous-types non caractérisés auparavant, dont 14 sous-populations neuronales. L'analyse de la trajectoire de la lignée des nématocystes a révélé deux programmes transcriptionnels distincts au sein de cette classe cellulaire, une phase "nématoblaste", caractérisée par la production de la capsule du nématocyste, et la phase de différenciation du nématocyste, caractérisée par la production du nématocil.L’obtention du ScRNAseq pour la planula Clytia a nécessité l'optimisation des protocoles de dissociation, de fixation et de sélection des cellules (collaboration avec le groupe d'Arnau Sébé-Pedros, Barcelone). L’atlas cellulaire de la planula est constitué de 4370 cellules regroupées en 19 clusters cellulaires. Après une analyse des profils d'expression par hybridation in situ de gènes connus et nouveaux à trois stades de développement de la planula, nous avons pu attribuer des identités cellulaires et combiner les 19 clusters en 8 grandes classes cellulaires. Celles-ci correspondent aux deux couches de tissu épithélial classic chez les cnidaires, l'épiderme et le gastroderme, les cellules souches hydrozoaires (I-Cells), les nématocytes (cellules urticantes), les cellules neurales, les cellules neurosécrétrices aborales et des populations distinctes de cellules sécrétrices, les cellules muqueuses et les cellules excrétrices putatives (PEC).Cet atlas des types cellulaires de la planula de Clytia représente le premier atlas cellulaire d'une larve d'hydrozoaire et fournit la caractérisation de populations cellulaires non décrites auparavant ainsi que des informations supplémentaires sur les types cellulaires déjà connus. L'analyse comparative des deux atlas cellulaires a révélé des programmes transcriptionnels de nématocytes similaires entre les stades, indiquant que les deux étapes du développement des nématocytes persiste pendant les transitions du cycle de vie. Nous avons également pu identifier des types cellulaires exprimant les mêmes gènes chez les deux stades. Parmi ces gènes partagés, des sous-types cellulaires ont été trouvés uniquement dans la méduse. L'analyse des programmes d'expression génique a également révélé la présence de types cellulaires supposément spécifiques à chaque stade.

The hydrozoan Clytia hemisphaerica displays a typical tri-phasic hydrozoan life cycle including a vegetatively propagating polyp colony and free-swimming medusa form as the sexually reproductive life stage. Male and female jellyfish spawn daily, triggered by light and after fertilisation a ciliated planula larva forms in about one day. After three days the planula settles and metamorphoses to give rise to a primary feeding polyp, the gastrozooid, founder of the polyp colony. The colony propagates by stolon extension and a second type of polyp, the gonozooid, releases medusa by budding. Analysis of the genome and the bulk transcriptome across the three life stages revealed specific gene expression programs for each stage (Leclère et al. 2019, Nature Ecology & Evolution). We are now extending this comparison to the level of individual cell types via single-cell RNA transcriptomics of Clytia medusa and larva. Together with L. Leclère and S. Chevalier (LBDV), we generated a female medusa cell atlas in collaboration with T. Chari and J. Gehring from L. Pachter’s lab and B. Weissbourd from D. Anderson’s lab at Caltech (Chari et al. 2021, Science Advances). Analysis of the medusa cell atlas revealed eight broad cell type classes including epidermis and gastrodermis, bioluminescent cells, oocytes and the hydrozoan multipotent stem cells (i cells) and their derivatives such as neurons, nematocytes and gland cells. In situ hybridisation analysis of expression patterns revealed previously uncharacterized subtypes including 14 neuronal subpopulations. Trajectory analysis of the nematocyte lineage revealed two distinct transcriptional programs within this cell class, a “nematoblast” phase, characterised by the production of the typical nematocyte capsule, and the nematocyte differentiation phase, characterised by the production of the nematocil apparatus. ScRNAseq for the Clytia planula required refinement of cell dissociation, fixation and sorting protocols (collaboration with Arnau Sebé-Pedros’ group, Barcelona). Our planula Cell Atlas consists of 4370 cells grouped in 19 cell clusters. Following in situ hybridisation expression patterns analysis of known and novel genes at three planula developmental stages we could assign cell identities and combine the 19 clusters in 8 broad cell classes. These correspond to the two cnidarian epithelial tissue layers, the epidermis and the gastrodermis, the hydrozoan stem cells (I-cells), the nematocytes (stinging cells), neural cells, aboral neurosecretory cells and distinct population of secretory cells, mucous cells and putative excretory cells (PEC). This Clytia planula Cell Types Atlas represents the first cell atlas of an hydrozoan larva and provides characterization of previously undescribed cell populations as well as further information on already known cell types. Comparison analysis of the two Cell Atlases revealed similar nematocyte transcriptional programs between stages indicating that the two distinct developmental programs persist during life cycle transitions. We could identify shared gene expression at the cell type level between life stages. Among those, further subtypes were only found in the adult. Analysis of gene expression programs also revealed the presence of putative stage specific cell types.