Types de cellules neurales et sécrétoires de la larve cnidaire

Neural and secretory cell types of the cnidarian planula larva : insights into the settlement response

• Auteur / Autrice : Júlia Ramon Mateu
• Direction : Richard Copley, Evelyn Houliston
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• 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 : Elisabeth Christians
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikolaos Konstantinides
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibaut Brunet, Ulrich Technau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Interaction

Dynamique moléculaire

Larves

Cnidaires

Mots clés libres

Cnidaire

Système nerveux

Larve

Cnidaria

Settlement

Larva

Planula

Sensory cells

Secretory cells

Résumé

La fixation larvaire est un événement clé dans le cycle de vie de nombreuses espèces animales marines, car il assure la transition d'un stade larvaire dispersif à un stade adulte fixé. De tels cycles de vie indirects sont retrouvés chez des espèces de tout le règne animal, y compris chez les éponges et les cnidaires ainsi ainsi que chez les bilatériens protostomes et deutérostomes. Les cnidaires présentent une grande diversité de de cycle de vie et de formes adultes, mais presque tous produisent un stade larvaire, connu sous le nom de planula. Cette dernière se fixe au substrat et/ou se métamorphose pour passer à une forme adulte. Il existe des preuves solides que l'exploration et la détection du substrat approprié impliquent des cellules situées au pôle antérieur/aboral (partie frontale) de la planula. Cependant, les connaissances sur les mécanismes cellulaires et moléculaires contrôlant cette réponse sont manquantes. Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur l'étude de la composition cellulaire et moléculaire de l'extrémité aborale de la larve planula, en mettant l'accent sur les implications dans la réponse à la fixation larvaire. Pour cela, j'ai généré i) des transcriptomes des extrémités aborales et orales de larve planula aptes à la métamorphose, et ii) des données sc-RNA-seq du même stade larvaire. Dans chaque cas, j'ai utilisé des larves de trois espèces de cnidaires provenant des deux principaux clades de Cnidaria: notre modèle de laboratoire et médusozoaire, Clytia hemisphaerica, et deux coraux durs anthozoaires, Astroides calycularis et Pocillopora acuta. Grâce à une analyse d'expression différentielle entre les transcriptomes aboraux et oraux de la planula, j'ai identifié un ensemble de gènes enrichis au pôle aboral pour chaque espèce. L'analyse des gènes enrichis au pôle aobral a permis l'identification de caractéristiques moléculaires communes à ce dernier, avec notamment desmolécules sécrétées spécifiques des médusozoaires ou anthozoaires ainsi que des récepteurs couplés aux protéines G et des canaux ioniques, reflétant des fonctions neuro sécrétions/sensorielles spécialisées. En intégrant les gènes exprimés au pôle aboral à l'ensemble des données scRNAseq générées, j'ai identifié les cellules enrichies au niveau de l'extrémité aborale de la planula des trois espèces étudiées. La comparaison entre les profils transcriptomiques, e la morphologie et la distribution des types de cellules aborales entre la planulade Clytia et celle les deux coraux anthozoaires m'a permis de définir une organisation cellulaire commune de l'extrémité aborale, qui comprend deux grands types cellulaires : les cellules de type sécrétrice et les cellules de type neural. Des spécialisations spécifiques aux clades dans les sous-types de cellules sécrétrice et neurales ont été identifiées sur la base de leur signature transcriptomique, potentiellement associées à différentes adaptations dans la réponse de fixation. J'ai noté avec un intérêt particulier que les gènes liés à l'absorption et au catabolisme de la taurine étaient une caractéristique commune des cellules spécialisées de l'extrémité aborale de la planula : ils sont associés à un type de cellule neurale chez Clytia et à un type de cellule épidermique spécialisée chez les deux espèces de coraux. Lors de premiers tests fonctionnels basés sur la fixation larvaire et développés pour les planulas de Clytia et d'Astroides, j'ai pu montrer que l'ajout de taurine exogène retarde ou empêche la fixation chez les deux espèces. Ces résultats suggèrent que la régulation de l'absorption de la taurine par les cellules aborales joue un rôle conservé dans la capacité de fixation larvaire au sein des cnidaires. Finalement, l'intégration de mes données transcriptomiques, morphologiques et fonctionnelles m'a permis de définir un modèle plus précis de fixation des larves de cnidaires en élargissant nos connaissances sur les cellules et les molécules impliquées.

Larval settlement is a key event in the life cycle of many marine animal species as it assures the transition from a dispersive larval stage to a bottom-dwelling adult stage. Such indirect life-cycles are found in species throughout the animal kingdom, including sponges and cnidarians as well as “bilaterian” group animals of the protostome (e.g. phoronids, brachiopods) and deuterostome (e.g. crinoids, pterobranchs) branches. Cnidarian species show great diversity in life cycle strategies and adult forms, but almost all produce a larval stage, known as planula, which undergoes settlement and/or metamorphosis to transition into an adult form. Success in larval settlement depends on the ability of the larva to sense the correct environmental cues and subsequently initiate a whole-body response. There is strong evidence that exploration and detection of the right substrate critically involves cells located at the anterior/aboral pole (front end) of the swimming planula. Yet, knowledge on the cellular and molecular mechanisms controlling this response is missing. The work presented in this thesis focuses on the study of the cellular and molecular composition of the aboral end of the planula larva, with emphasis on implications in the settlement response. To this end I generated i) transcriptomes from the aboral and oral ends of bisected, metamorphosis competent planula larvae, and ii) single-cell RNA-seq data of the same larval stage. In each case I used larvae from three cnidarian species coming from the two main clades of Cnidaria: our lab model and medusozoan, Clytia hemisphaerica, and two anthozoan stony corals, Astroides calycularis and Pocillopora acuta. Through differential expression analysis between the planula aboral and oral transcriptomes I identified a set of aboral-enriched genes for each species. Analysis of the aboral enriched sets led to the identification of common molecular features in the planula aboral domain including clade specific secreted molecules as well as G-protein coupled receptors and ion channels, reflecting specialized neurosecretory/sensory functions. In a small number of cases, closely related genes could be identified as differential expressed aborally vs orally in planulae from all three species; these molecules were all developmental regulators with known involvement in oral-aboral axis patterning across animal groups, consistent with a highly conserved axial patterning system.By integrating the aborally-expressed gene sets with the generated scRNA-seq datasets, I identified the cells enriched in the aboral end of the planula of the three species of study. Comparisons of transcriptomic profiles, morphology and distribution of aboral cell types between larvae of Clytia and the two anthozoan coral species allowed me to define the common cellular architecture of the aboral end featuring two broad cell-type classes: secretory-like and neural-like. Clade-specific specializations in the subtypes of secretory and neural cells were identified based on their transcriptomic signature, potentially associated with different adaptations in the settlement response. Of particular interest I noted that genes related to taurine uptake and catabolism were a shared feature of specialized cells in the planula aboral end: associated with a neural cell type in Clytia and a specialized epidermal cell type in the two coral species. In pilot functional tests using larval settlement assays developed for both Clytia and Astroides planulae, I could show that exogenous taurine retards or prevents settlement in both species. These results suggest that regulation of taurine uptake by aboral cells plays a conserved role in defining the settlement competence of planula larvae.Overall, the integration of my transcriptome, cell morphology and functional data has allowed me to update the current model for settlement in cnidarian larvae by extending our knowledge of the cells and molecules involved.