Etude multi-échelle de la morphogenèse de l'embryon préimplantatoire

Multiscale study of mouse preimplantation morphogenesis

• Auteur / Autrice : Markus Schliffka
• Direction : Jean-Léon Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique et biologie du développement (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Emilie Terret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Léon Maître, Guillaume Charras, Carien Niessen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Charras, Carien Niessen

Mots clés

Mots clés libres

Embryon préimplantatoire

Morphogenèse

Imagerie en temps réel

Preimplantation embryo

Morphogenesis

Live imaging

Résumé

Au cours du développement embryonnaire, les animaux suivent une séquence complexe de changements de forme provoqués par des forces issues de la contractilé cellulaire, générées par le cytosquelette de l’actomyosine. Chez l’embryon de mammifère, la morphogenèse débute dès la phase préimplantatoire, qui commence par la fécondation et aboutit à la formation du blastocyste, la structure qui s’implante dans l’utérus maternel. Ainsi, l’embryon préimplantatoire suit une série de mouvements morphogénétiques contrôlés par la contractilité qui aboutissent avec la formation du premier lumen au sein du blastocyste.Nous avons mené la première étude examinant l’effet de la perte complète de contractilité sur le développement préimplantatoire. Nous avons généré les mutants maternels-zygotiques simples et double des gènes Myh9 et Myh10, codants pour les chaînes lourdes de la myosine non musculaire de type II, ce qui nous a permis d’étudier la contribution relative de ces deux paralogues dans la génération de la contractilité cellulaire. Nous avons constaté que Myh9 est le principal contributeur dans ce processus, car sa perte entraîne un retard du cycle cellulaire, une réduction du nombre de cellules, de la compaction et de la différenciation. La perte de Myh10 n’a pas d’impact fort par rapport aux embryons de type sauvage. Néanmoins, un phénotype plus sévère a pu être observé chez les embryons double mutants dont la cytocinèse échoue dans la plupart des cas, suggérant une compensation par Myh10 dans les mutants Myh9. Malgré le manque de cellules, la différenciation et la formation du lumen se poursuivent dans les double mutants. Dans les cas les plus extrêmes, des embryons composés d’une seule et unique cellule accumulent du fluide dans des compartiments intracellulaires, ce qui indique que le programme préimplantatoire est exécuté indépendamment du nombre de cellules.Dans les embryons sauvages, le blastocyste se forme suivant un processus de fracturation hydraulique produisant un réseau de microlumens qui murit en un lumen unique entourée de plusieurs cellules. Bien que le mécanisme global de ce processus soit compris, on ne sait toujours pas comment les cellules régulent localement la dynamique des microlumens. Ici, nous décrivons des blebs inversés aux contacts entre cellules. Les blebs inversés sont des invaginations membranaires de courte durée qui gonflent dans le cytoplasme avant d’être repoussées par la contractilité cellulaire. Les blebs inversés se forment à la suite de l’augmentation globale de la pression du fluide intercellulaire et du confinement local du fluide par l’adhésion cellulaire. Nous proposons que les blebs inversés agissent comme des pompes hydrauliques pour diriger le fluide au sein du réseau de microlumens, promouvant ainsi son murissement.Ces résultats approfondissent notre compréhension moléculaire, cellulaire et biophysique de la façon dont la contractilité cellulaire façonne l’embryon de mammifère

During development, embryos undergo a complex sequence of morphogenetic shape changes powered by cellular contractile forces which allow the embryo to correctly form tissues and organs. Contractile cellular forces in morphogenesis are chiefly generated by the actomyosin cytoskeleton. In the mammalian embryo, morphogenesis begins during preimplantation development, which commences with fertilization and leads up to the formation of the blastocyst, the structure that implants into the maternal uterus. During preimplantation development, the embryo undergoes a series of contractility-driven morphogenetic steps that culminate in the positioning of the first lumen of development in the blastocyst.Here, we conducted the first study investigating the effect of complete contractility loss on preimplantation development. We performed single and double maternal-zygotic knockout of the non-muscle myosin heavy chain genes Myh9 and Myh10, which allowed us to study the relative contribution of these two paralogs to contractility generation in preimplantation development. We found that Myh9 is the main contributor in this process, as its maternal-zygotic loss results in cell cycle delay, reduced cell number, compaction and differentiation. Loss of Myh10 did not have a strong detectable impact compared to wildtype embryos. Nevertheless, a more severe phenotype could be observed in Myh9 and Myh10 double knockout embryos as cytokinesis failed in most cases, suggesting some compensation by Myh10 in Myh9 single mutants. Despite severely reduced cell number, differentiation and lumen formation still somehow continued in double knockout embryos. In the most extreme cases, single-celled embryos accumulated fluid in intracellular compartments, indicating that the preimplantation developmental program is executed independently of cell number.In WT embryos, the blastocyst forms in a process of hydraulic fracturing producing hundreds of microlumen followed by their coarsening into a single lumen surrounded by multiple cells. While the global mechanism of this process is understood, it remains unclear how cells regulate microlumen dynamics locally. Here, we describe inverse blebs at cell-cell contacts during microlumen formation. Inverse blebs are short-lived membrane protrusions expanding into the cytoplasm before being retracted by actomyosin contraction. We show that inverse blebs form due to a global increase in intercellular fluid pressure and require local fluid confinement by cell-cell adhesion. We propose that inverse blebs serve as hydraulic pumps to push the fluid within the microlumen network, thereby supporting the coarsening of the first mammalian lumen.Together, these finding expand our molecular, cellular and physical understanding of how cell contractility shapes the early mammalian embryo.