Intéraction entre polarité, forme et mécanique cellulaire contrôlant les patrons de clivage embryonnaire – MorCell

Après la fécondation, le clivage des embryons suit un patron de divisions précoces prévisible dans certaines espèces (Wilson, 1900). Une question centrale non résolue dans ce domaine est de savoir quelles règles génériques régissent le patron des divisions cellulaires de clivage jusqu'au stade blastula. Des modèles théoriques fournissent quelques indices quant à la nature de ces règles dans l’embryon, mais l'élaboration de modèles mécanistiques performants est encore limitée par le manque de données expérimentales. L’approche réductionniste de « un gène-une fonction » a apporté des progrès importants dans l’identification des mécanismes de spécification des tissus dans l’embryon mais cette approche n’a pas apporté d’avancées majeures dans la compréhension de mécanismes responsables des patrons de clivages des embryons précoces. En effet les processus mécaniques qui génèrent ces patrons de clivage fonctionnent à plusieurs échelles: au niveau micro des protéines et des complexes protéiques, au niveau du cortex cellulaire ou des organites intracellulaires (ex : le centrosome et le fuseau mitotique) et au niveau cellulaire via l'adhésion et la tension corticale qui déterminent la forme de la cellule.

Le développement de techniques permettant de mesurer et manipuler précisément les forces au sein de l'embryon en développement est essentiel pour analyser et modéliser ces processus. Un des thèmes émergents est que l'établissement de la polarité apicobasale est couplé à la division cellulaire orientée pour ségréger la masse cellulaire interne du trophectoderme chez les embryons de souris (Korotkevich et al., 2017, Maître et al., 2016) mais aussi pour implémenter le patron de divisions cellulaires invariant des embryons d’ascidies (Dumollard et al., 2017b). La prochaine étape de notre compréhension viendra de la mesure des propriétés mécaniques des cellules lors de l'émergence de la polarité apicobasale afin de déterminer les relations causales entre la tension corticale, la forme cellulaire et la ségrégation de complexes protéiques le long de l'axe apicobasal pour spécifier l'orientation des centrosomes et des fuseaux mitotiques. Afin d'élucider ces relations, nous exploitons le modèle d’embryon d’ascidie car il possède un nombre restreint de cellules et montre un patron de clivage invariant et hautement conservé. Ce patron de clivage est si conservé que le système de nomenclature conçu par Conklin en 1905 pour une ascidie stolidobranche (Styela partita) est utilisé aujourd'hui pour tous les embryons d’ascidies, y compris les espèces qui ont évolué séparément depuis plus de 500 millions d'années.

Comment les mécanismes de développement et les contraintes physiques appliquées aux cellules s’intègrent pour générer ce modèle de clivage invariant ? Nous avons récemment fourni un modèle de calcul prédictif que nous appelons ici « le modèle de la forme apicale ». Ce modèle est basé sur des divisions cellulaires perpendiculaires à l’axe long de la surface apicale de chaque cellule que nous avons testé expérimentalement (Dumollard et al., 2017). En particulier, nous avons démontré que la forme apicale de toutes les cellules jusqu'au stade blastula était fonction : 1) de la division inégale des cellules dans deux blastomères postérieurs végétaux (Prodon et al., 2010) ; 2) de l'asynchronie du cycle cellulaire (Dumollard et al., 2013) et 3) de la polarité apicobasale (Dumollard et al., 2017). Bien que ce modèle de la « forme apicale » soit puissant, il manque de paramètres clés tels que les relations entre la rigidité corticale et de la dynamique des microtubules à différents sites corticaux. Nous proposons ici d'étendre ce modèle de « Forme Apicale » en introduisant dans le modèle des mesures de la rigidité corticale et de la dynamique des microtubules (MT) à différents sites corticaux (cortex apical / basolatéral ou cortex CAB) pour déterminer comment ils contribuent à la forme apicale et donc au patron de clivage embryonnaire