Développement et évolution des muscles striés de la méduse Pelagia noctiluca

Development and evolution of Pelagia noctiluca jellyfish striated muscles

• Auteur / Autrice : Bastien Salmon
• Direction : Lucas Leclere
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie intégrative des organismes marins
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Régénération, développement et évolution des cnidaires

Mots clés

Mots clés libres

Muscle strié

Développement

Méduse

Sarcomère

Myofibrillgenèse

Striated muscle

Development

Jellyfish

Sarcomere

Myofibrillogenesis

Résumé

Les muscles sont des tissus contractiles que l'on trouve chez presque tous les animaux. Ils permettent un large éventail de mouvements et de comportements. Selon l'organisation de leur faisceau d'actomyosine, les muscles sont classés en lisses ou striés. Seuls les muscles striés permettent des contractions rapides et rythmées nécessaires à des comportements complexes. L'unité contractile du muscle strié est appelée le sarcomère. Les protéines constituant les sarcomères sont conservées entre les vertébrés et les insectes, suggérant une origine évolutive commune du sarcomère. L'origine de ce complexe macromoléculaire est cependant inconnue. Les cnidaires (auquel appartiennent les méduses), en tant que groupe frère des animaux bilatériens, occupent une position clé pour répondre à cette question. Chez les méduses, les contractions rythmiques de l'ombrelle, qui propulsent l'animal dans l'eau, sont générées par des muscles striés. Les études d'ultrastructure montrent des similitudes morphologiques frappantes entre les méduses et les muscles striés des bilatériens, mais le consensus actuel dans la littérature est que ces muscles striés ont évolué indépendamment entre ces deux groupes. Il n'existe cependant aucune donnée permettant de savoir si les homologues des protéines sarcomériques des bilatériens - trouvées dans les génomes des méduses - jouent un rôle dans la construction des sarcomères chez les méduses, ou si les méduses utilisent un ensemble différent de protéines. Durant ma thèse, je me suis donc intéressé à l'organisation moléculaire du sarcomère, ainsi qu'aux mécanismes de développement du muscle strié de la méduse, en utilisant les caractéristiques uniques d'un nouveau modèle de méduse, le scyphozoaire Pelagia noctiluca. Afin d'identifier l'identité moléculaire et la diversité des types cellulaires au cours du développement de Pelagia noctiluca, j'ai généré un jeu de données transcriptomiques sur cellules uniques à 6 stades de développement, ainsi qu'un jeu de données protéomiques, faisant le lien entre la signature transcriptomiques et les acteurs protéiques enrichis dans les tissus. J'ai également contribué à caractériser les mécanismes associés au développement direct de l'éphyrule de Pelagia, en mettant au point pour la première fois chez un scyphozoaire, une méthode d'inhibition de fonction par micro-injection d'oligonucléotide modifié Morpholino. J'ai utilisé les jeux de donnés nouvellement produits, transcriptomiques et protéomiques, pour identifier des candidats de possibles protéines sarcomériques, afin de produire une série d'anticorps spécifiques de ces protéines chez Pelagia. Ceci m'a permis de caractériser la structure moléculaire du sarcomère des méduses, ainsi que les mécanismes de développement des myofibrilles. Les résultats obtenus au cours de ma thèse ont permis de générer de nouveaux scénarios quant à l'évolution de la machinerie contractile liée à l'actomyosine chez les animaux, ainsi que sur l'évolution des différents types de muscles.

Muscles are contractile tissues found in almost all animals. They enable a wide range of movements and behaviors. Depending on the organization of their actomyosin bundles, muscles are classified as smooth or striated. Only striated muscle allows rapid and rhythmic contractions used for complex behaviors. The contractile unit of striated muscle is called the sarcomere. Sarcomere proteins are highly conserved between vertebrates and insects, suggesting a common origin of the sarcomere. However, the origin of this macromolecular complex is unknown. Cnidarians (to which jellyfish belong), as a sister group to bilaterian animals, hold a key position to answer this question. In jellyfish, the rhythmic contractions of the medusa bell, which propel the animal through the water, are generated by striated muscles. Ultrastructural studies show striking morphological similarities between jellyfish and bilaterians striated muscles. However, the current consensus in the scientific literature is that striated muscles evolved independently between cnidarians and bilaterians. There is no evidence that bilaterians sarcomere proteins homologs play a role in sarcomere organization in jellyfish. Past research suggested that jellyfish might use a different set of proteins to build their sarcomere. During my PhD, I investigated the molecular organization of jellyfish sarcomere, and the mechanisms of striated muscle development called myofibrillogenesis. I used the unique characteristics of a new model, the scyphozoan jellyfish Pelagia noctiluca. In order to identify the molecular identity and diversity of cell types during the development of Pelagia noctiluca embryo, I generated a transcriptomic dataset on single cells transcriptomic at 6 developmental stages, as well as a proteomic dataset, linking transcriptomic signature to tissue specific proteomic signature. I also contributed to characterize the mechanisms associated with the direct development of Pelagia ephyra (the youngest juvenile form of the jellyfish). Hence, I developed, for the first time in a scyphozoan species, functional inhibition by microinjection of Morpholino antisense oligonucleotides. I used the newly generated transcriptomic and proteomic datasets to identify candidate sarcomere proteins, and produced a series of antibodies specificly targeting Pelagia proteins proteins. Then, I used immunostaining approach to characterize the molecular structure of the jellyfish sarcomere, as well as the mechanisms of myofibril development called myofibrillogenesis. The results obtained during my thesis motivated discussion on fundamental abilities of the actomyosin muscle machinery.