Etude quantitative d'une réponse binaire de la voie de signalisation ERK – ERKtivation

Dans ce projet, nous avons exploité le modèle ascidie. Les ascidies sont positionnées phylogénétiquement comme un groupe frère des vertébrés. Leur mode de développement invariant implique que les configurations cellulaires sont quasi-invariantes entre les embryons. Au stade de développement 32-cellules, l’ensemble des huit paires de cellules ectodermiques (futur épiderme et cerveau) sont exposées aux signaux FGF. Cependant, seules deux paires spécifiques de cellules répondent aux signaux FGF par l’initiation de l'induction neurale et l’expression du gène Otx, une cible directe de la voie ERK. Nous avons quantifié les surfaces de contact cellulaire entre les cellules de l'ectoderme et celles voisines exprimant FGF, ainsi que les niveaux d'activation de ERK et du gène Otx dans les cellules de l’ectoderme des embryons. Nous avons également étudié le rôle joué par la voie de signalisation éphrine, qui agit de manière antagoniste à la signalisation FGF-ERK. À l'aide de cette approche quantitative, nous avons pu élaborer des modèles mathématiques pour améliorer notre compréhension de ce processus.

Nous avons démontré que chaque cellule de l’ectoderme active ERK à un niveau correspondant à sa surface de contact avec les cellules exprimant FGF alors que sa cible transcriptionnelle, Otx, est activtée uniquement dans les précurseurs neuronaux. À de faibles niveaux d’activation de ERK, Otx est réprimé par un répresseur transcriptionnel de la famille ETS, ERF2. Les signaux éphrine sont essentiels pour baisser les niveaux d'activation de ERK dans les cellules de l’ectoderme afin que seuls les précurseurs neuronaux présentent des niveaux d'activation de ERK suffisants pour activer la transcription Otx.

Dans notre futur projet, nous souhaiterions comprendre comment les voies de signalisation antagonistes FGF et éphrine convergent au niveau subcellulaire pour réguler l'activité de Ras au sein des cellules. De plus, nous ignorons toujours le mécanisme qui contrôle la réponse transcriptionnelle sigmoïdale du gène Otx à l'activité de ERK. Nous aborderons ces questions en étroite collaboration avec nos partenaires actuels.

Les résultats obtenus à l’issue de ce projet ont été publiés dans Developmental Cell (Williaume et al, 2021) (https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.09.025) et PLoS Computational Biology (Bettoni et al, 2023 in Press) (bioRxiv preprint; doi.org/10.1101/2022.06.29.498205). Nous avons aussi fait des présentations orales de ces résultats dans des conférences internationales.

Une question fondamentale qui préoccupe depuis longtemps les biologistes dans les domaines de la signalisation cellulaire et de la biologie du développement, est comment une cellule interprète un signal gradué ou variable puis génère une réponse sigmoïde (=switch-like). La voie de signalisation ERK (extracellular-signal-regulated kinase), très conservée au cours de l’évolution, est capable de générer une telle réponse. Elle inclue Ras, Raf et MEK et culmine par la phosphorylation et l’activation de ERK. Celle-ci phosphoryle à son tour un grand nombre de protéines cibles dont des facteurs de transcription pour contrôler leur activité. Cette voie de signalisation joue un rôle important dans la spécification, la différenciation et la prolifération cellulaire durant l’embryogenèse chez les métazoaires, ainsi que dans l’homéostasie des cellules chez les adultes. L’activation excessive de la voie ERK est associée chez l’homme à des cancers, ainsi qu’à des syndromes développementaux appelés RASopathies. Une régulation précise de cette voie est donc critique. Pour autant, les études quantitatives dans des contextes multicellulaires sont rares et aucune n’a étudié la réponse sigmoïde. Ainsi dans ce projet, un effort conjoint entre des biologistes expérimentaux et des chimistes computationnels permettra d’étudier comment la voie de signalisation ERK présente une activation sigmoïde en réponse à un signal gradué dans un contexte embryonnaire. Nous y déploierons une approche interdisciplinaire intégrant notamment : imagerie quantitative, chimie analytique, embryologie et modélisation mathématique.
Pour aborder notre question, nous exploiterons le modèle ascidie. Les ascidies sont positionnées phylogénétiquement comme un groupe sœur des vertébrés. Leur mode de développement invariant implique que les configurations cellulaires telles que les surfaces de contact entre cellules voisines sont quasi-invariantes pour un même stade de développement. Nous étudierons l’état d’activation de la voie ERK en réponse à un signal variable de FGF (fibroblast growth factor) lors de l’induction neurale qui se déroule au cours du stade 32-cellule. Dans ce processus, 4 cellules précisément parmi les 16 ectodermiques présentent une activation de ERK et adoptent le destin neural alors qu’elles reçoivent toutes plus ou moins le signal inducteur FGF et sont compétentes à devenir des précurseurs neuraux. Nos résultats non-publiés soutiennent déjà l’hypothèse du projet : une régulation antagoniste de Ras par les voies de signalisation FGF et ephrin/Eph est indispensable pour contrôler l’état d’activation de ERK. Dans ce projet, afin d’évaluer l’état d’activation de la voie Ras>Raf>MEK>ERK, nous décrirons quantitativement les cinétiques de phosphorylation de ERK dans des embryons témoins et manipulés expérimentalement. Les paramètres quantitatifs obtenus serviront la modélisation mathématique du processus de l’induction neurale. Puis, les prédictions issues des modèles seront testées expérimentalement afin de les affiner. Notre approche nous permettra de décrire précisément le mécanisme biochimique qui génère la réponse sigmoïde de l’activation de la voie ERK lors de l’induction neurale. De plus, nous aborderons deux questions qui sont aussi essentielles pour comprendre comment fonctionne cette réponse sigmoïde. Dans un premier temps, nous étudierons comment l’activation de ERK entraîne la transcription spécifique d’un gène cible grâce à une technique d’hybridation in situ quantitative. Puis, nous aborderons le rôle potentiel de l’endocytose dans la convergence intracellulaire des voies FGF et ephrin/Eph. En conclusion, notre projet constitue le premier exemple d’étude multidisciplinaire d’une réponse sigmoïde de l’activation de la voie ERK dans un système multicellulaire. Une exécution réussie du projet aura un grand impact à la fois dans les domaines de la signalisation cellulaire, de la biologie du cancer et de la biologie du développement.