Émergence et maintien des hétérogénéités tissulaires dans les gastruloïdes

Emergence and maintenance of tissue heterogeneities in Gastruloids

• Auteur / Autrice : Jialing Cao
• Direction : Pierre-François Lenne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie-Santé - Spécialité Biologie du Développement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBDM - Institut de Biologie du Développement de Marseille

Mots clés

Mots clés libres

Interactions cellulaires

Adhésion

Morphogenèse

Pluripotence

Cell interactions

Adhesion

Morphogenesis

Pluripotence

Résumé

La gastrulation est une étape fondamentale du développement embryonnaire, au cours de laquelle se forment les trois feuillets embryonnaires primaires : l'endoderme, le mésoderme et l'ectoderme, qui définissent la structure de base du corps. Bien que ce processus soit bien compris chez les vertébrés se développant à l'extérieur, la gastrulation chez les mammifères demeure difficile à étudier en raison des contraintes liées au développement intra-utérin. Les modèles in vitro, tels que les gastruloïdes—agrégats tridimensionnels de cellules souches embryonnaires—représentent un outil précieux pour l'étude de ces processus précoces. Ces modèles permettent des manipulations précises et une imagerie en temps réel à haute résolution, ouvrant la voie à des analyses détaillées des décisions de destin cellulaire, du patterning tissulaire et des forces mécaniques qui les régissent. Des recherches récentes sur les gastruloïdes ont remis en cause l'idée traditionnelle selon laquelle la formation de l'endoderme définitif nécessite une transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). En effet, les données suggèrent que des régions endodermiques peuvent se former à partir de cellules épithéliales qui conservent des contacts médiés par l'E-cadhérine. Cela conduit à la formation d'îlots de cellules E-cadhérine positives, capables de migrer au sein du gastruloïde tout en maintenant leur pluripotence, entourés de cellules exprimant le marqueur T-brachyury. Bien que ces observations offrent de nouvelles perspectives, les mécanismes moléculaires et mécaniques exacts qui sous-tendent ces phénomènes restent encore largement inconnus. Ce projet a pour objectif de comprendre comment ces îlots de cellules positives à l'E-cadhérine maintiennent leur pluripotence dans les gastruloïdes et comment ils sont modulés par des facteurs mécaniques et de signalisation. Dans un premier temps, il s'agira de perfectionner les méthodes d'identification et de caractérisation précise de ces îlots en utilisant des techniques d'imagerie avancées et des marqueurs moléculaires spécifiques. Par la suite, nous isolerons ces îlots à partir de gastruloïdes matures ou nous développerons des modèles d'agrégats cellulaires plus petits pour des études plus approfondies. L'étude explorera les voies de signalisation associées à la maintenance de la pluripotence et évaluera l'impact de facteurs physiques tels que la tension de surface, la densité cellulaire et le stress mécanique. Des techniques comme le séquençage unicellulaire seront employées pour déchiffrer les profils moléculaires de ces îlots, tandis que des approches biophysiques, incluant l'aspiration par micropipette, les pinces optiques et la modélisation physique, permettront de quantifier les forces mécaniques en jeu. Ce projet vise ainsi à éclairer les interactions complexes entre les forces mécaniques et les décisions de destin cellulaire, en approfondissant notre compréhension des environnements mécaniques et de signalisation qui contribuent à la pluripotence et à l'organisation cellulaire lors du développement embryonnaire précoce.

Gastrulation is a crucial stage in animal development, where the basic body structure is established through the differentiation of three primary germ layers: endoderm, mesoderm, and ectoderm. While well-documented in externally developing vertebrates, studying mammalian gastrulation presents challenges due to the complexities of in utero development. In vitro models like gastruloids—three-dimensional aggregates of embryonic stem cells—offer a valuable tool for investigating these early developmental processes. They enable precise manipulation and high-resolution live imaging, allowing for detailed analysis of cell fate decisions, tissue patterning, and the mechanical forces involved. Recent studies using gastruloids have challenged the conventional belief that definitive endoderm formation necessitates an epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Instead, findings suggest that endoderm-like regions can arise from epithelial cells that retain E-cadherin-mediated contacts, leading to islands of E-cadherin-positive cells that migrate within the gastruloid while maintaining their pluripotency, surrounded by T-brachyury-expressing cells. Despite these advancements, the exact molecular and mechanical mechanisms governing these processes remain largely unexplored. This project aims to understand how E-cadherin-positive cell islands within gastruloids maintain their pluripotency and how they are influenced by mechanical and signaling factors. The initial objective is to refine methods for accurately identifying and characterizing these E-cadherin-positive islands using advanced imaging and molecular markers. Subsequently, we will isolate these islands from mature gastruloids or develop more manageable and smaller aggregate models for detailed examination. The study will explore signaling pathways that sustain pluripotency and assess physical factors such as surface tension, cell jamming, and mechanical stress. Techniques like single-cell sequencing will be employed to uncover the molecular profiles of these islands, while biophysical methods, including micropipette aspiration, optical tweezers, and physical modeling, will quantify the mechanical forces at play. Through this approach, the project seeks to elucidate the intricate relationship between mechanical forces and cell fate decisions, enhancing our understanding of how mechanical and signaling environments contribute to the maintenance of pluripotency and the organization of cell islands during early development.