Etude des mécanismes de la synchronisation du développement grâce à des perturbations spatio-temporelles in-vivo en température chez la larve de C. elegans.

Uncovering mechanisms for developmental synchrony with in-vivo spatiotemporal temperature perturbations in C. elegans larval stages.

• Auteur / Autrice : Eliot Schlang
• Direction : Wolfgang Keil
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physico-Chimie Curie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)

Mots clés

Mots clés libres

Coordination du développement

Robustesse à la température

Proportionnalité du développement

Microfluidique

C. elegans

Developmental coordination

Temperature robustness

Developmental scaling

Microfluidics

C. elegans

Résumé

Le développement d'un organisme multicellulaire repose sur l'expression de gènes du développement avec une précision spatiale et temporelle. Cependant, la dynamique de l'expression des gènes dans une cellule individuelle est inévitablement bruité en raison d'événements moléculaires stochastiques ainsi que de perturbations environnementales ou génétiques. Dans des conditions normales, les résultats du développement des organismes multicellulaires sont robustes et précis, ce qui suggère que les organismes compensent avec succès les perturbations indésirables. Les mécanismes compensatoires peuvent être soit intracellulaires, comme la mise en place d'une atténuation du bruit par le biais de boucles de rétroaction dans les réseaux biochimiques sous-jacents, soit résulter d'une communication intercellulaire pour assurer une prise de décision collective au sein d'un tissu. Toutefois, dans les deux cas, les mécanismes de contrôle sont difficiles à appréhender et ainsi largement inexplorés. L'une des voies les plus prometteuses pour révéler et comprendre en détails les principes et les mécanismes qui contrôlent la précision du développement est de les perturber expérimentalement dans l'espace et dans le temps et observer la réponse du système. Pour ma thèse de doctorat, je propose d'étudier les mécanismes qui sous-tendent la synchronisation des oscillations de l'expression des gènes au niveau de l'hypoderme au cours du développement de Caenorhabditis elegans. En combinant des réseaux de résistances microstructurées et en confinant l'animal par microfluidique, je réaliserai un système permettant d'imposer un gradient de température linéaire, dans lequel les moitiés antérieure et postérieure se développeront à des températures différentes et donc, à des rythmes différents (objectif 1). En suivant les rapporteurs fluorescents de l'expression des gènes hypodermique ainsi que les ondes hypodermiques des divisions cellulaires, j'étudierai ensuite si des mécanismes peuvent compenser les effets de cette condition environnementale anormal et s'il existe des périodes critiques pour cette compensation (objectif 2). Enfin, je développerai des modèles mathématiques de l'expression des gènes hypodermiques qui incluront explicitement la communication intercellulaire pour atteindre une synchronisation temporelle et prendront en compte la stochasticité inhérente aux réseaux de réaction biochimique (objectif 3). J'extrairai du modèle des prédictions testables pour de nouveaux types de perturbations spatiotemporelles, que je vérifierai ensuite expérimentalement grâce au montage. Mes études exposeront les lois quantitatives et les limites de l'adaptabilité du développement dans l'un des organismes modèles les plus importants de la biologie du développement. L'implication des gènes hautement conservés à tous les niveaux de la régulation génétique de C. elegans suggère que les principes généraux du développement seront révélés par la compréhension quantitative de la dynamique de l'expression des gènes et de la coordination cellule-cellule que je vais essayer d'obtenir. De plus, les innovations technologiques proposées permettront des études similaires sur d'autres organismes modèles. Enfin, un déroulement anormal du développement, même subtil, peut entraîner des anomalies congénitales graves chez l'homme. En outre, on sait que les changements temporelles d'activité de certains gènes contribuent à des maladies chez l'humain comme le cancer. Ainsi, mon projet de doctorat fournira également de nouvelles connaissances sur le comportement collectif des cellules souches au cours de l'embryogenèse humaine et de la formation de tumeurs.

Proper development of a multicellular organism relies on the expression of developmental genes with spatial and temporal precision. However, gene expression dynamics in any individual cell is inevitably noisy, owing to stochastic molecular events as well as environmental or genetic perturbations. In seemingly stark contrast, developmental outcomes of multicellular organisms under normal conditions are robust and precise, suggesting that organisms successfully compensate undesired perturbations in the expression of genes that require precise control. Compensatory mechanisms could either be intracellular such as noise buffering through feedback loops in the underlying biochemical networks or result from intercellular communication to ensure collective decision making within a tissue. However, in both cases, control mechanisms are difficult to dissect and, thus, largely unexplored. One of the most promising avenues to reveal and dissect principles and mechanisms that control developmental precisions is to perturb them in an experimentally controlled way in space and time and observe the response of the system. For my PhD thesis, I propose to investigate the mechanisms underlying the synchrony of oscillatory gene expression in the hypodermis of the developing roundworm Caenorhabditis elegans (C. elegans). By combining micro-patterned resistor arrays and microfluidics animal confinement, I will develop a system to impose a linear temperature gradient, in which the anterior and posterior halves of the C. elegans larva are developing at different temperatures and thus, at different rates (Aim 1). By following fluorescent reporters of hypodermal gene expression as well as hypodermal waves of cell divisions, I will then investigate whether compensatory mechanisms can counteract the effects of this extremely unnatural environmental condition and whether there are critical periods for this compensation (Aim 2). Finally, I will develop mathematical models of hypodermal gene expression that explicitly include intercellular communication to achieve temporal synchrony and take into account the inherent stochasticity of biochemical reaction networks (Aim 3). I will extract testable predictions from the model for new types of spatiotemporal perturbations, which I will then experimentally verify with my setup. My studies will expose the quantitative laws and limits of adaptability of development in one of the most prominent model organisms for Developmental Biology. The involvement of the highly conserved genes on all levels of the genetic regulation of C. elegans suggests that evolutionary conserved general principles of development will be revealed by the quantitative understanding of gene expression dynamics and cell-cell coordination that I will try to achieve here. At the same time, the technological innovations I propose are likely to find applications in similar studies with other model organisms. Finally, aberrant timing in development, even when subtle, can cause serious, often lethal birth defects in humans. Moreover, changes in the timing of the activity of specific genes are known to contribute to human diseases like cancer. Thus, my PhD project will also provide novel insights into collective stem cell behavior during human embryogenesis and tumor formation.