Impact du volume cellulaire sur le processus d’adaptation – eVOLve

Notre projet associe la génétique de la levure de fission à des technologies de pointe. Tout d’abord, nos travaux s’intéressent non pas à la longueur des cellules mais à leur volume, qui est un paramètre clé de leur biochimie interne. Pour cela, nous utilisons une nouvelle méthode qui combine microfluidique et imagerie et permet des mesures précises et reproductibles du volume de cellules individuelles. Ensuite, nos études se fondent sur des stratégies d’évolution expérimentale grâce à notre expertise dans l’utilisation de cultures continues. Nous avons maintenant optimisé pour la levure de fission une nouvelle plateforme automatisée qui est compatible avec la conduite parallèle d’un nombre sans précédent d’expériences d’évolution. Cela nous permet d’isoler et d’étudier des clones cellulaires qui ont évolué dans des conditions délétères, estimant leur volume et comment des altérations de cette caractéristique pourraient contribuer à l’amélioration de leur capacité de prolifération. L’exploration des mécanismes responsables de telles modulations du volume cellulaire par des approches de séquençage fera partie intégrante de notre projet. Pour notre second objectif, nous utilisons de la génétique chimique combinée à des souches exprimant un système synthétique minimal de contrôle du cycle cellulaire afin de varier le volume initial des cellules mises en conditions d’évolution expérimentale. Cela nous amènera à déterminer si le volume cellulaire a un impact significatif sur les stratégies employées par les cellules pour s’adapter à leur environnement. Enfin, nous nous basons sur des analyses génomiques avancées pour comprendre la relation entre volume cellulaire et adaptation sous un angle différent grâce à une collection d’isolats naturels de la levure de fission. Dans leur globalité, toutes ces méthodes sont essentielles pour élucider le lien complexe entre la taille et l’évolution d’une cellule.

Notre projet est encore dans sa phase initiale mais nous avons déjà fait des progrès significatifs. Tout d’abord nous avons adapté la technologie eVOLVER pour l’automatisation et le multiplexage d’expériences d’évolution en laboratoire (collaboration avec le Dr. Ahmad Khalil, Boston University, USA). Cette plateforme permet d’étudier non seulement les clones cellulaires isolés en fin d’expérience mais également les étapes intermédiaires du processus d’évolution. Cela nous donnera une vision plus globale de la plasticité du génome sur le long terme. Deuxièmement, nous avons optimisé la méthode d’exclusion de fluorescence pour mesurer de manière précise le volume de cellules de levure individuelles (collaboration avec le Dr. Matthieu Piel, IPGG, Paris, France). Ensuite, l’analyse des phénotypes de levures de fission maintenues dans différentes conditions nous a permis d’évaluer et de sélectionner des milieux de culture qui limitent la croissance des cellules en ciblant des processus variés. Ces milieux sont les points de départ de nos approches d’évolution expérimentale. Enfin, nous avons commencé à caractériser les volumes cellulaires et taux de croissance d’une collection d’isolats naturels de levures de fission qui sont au coeur du troisième objectif de notre programme de recherche. La variation naturelle entre ces souches sera exploitée par des approches d’association, de gène candidat et de liaison afin d’identifier les facteurs génétiques qui modulent le volume cellulaire.

A ce stade de notre projet, nous suivons le plan de recherche initialement établi. Sur le court terme, nous allons nous focaliser sur les clones évolués que nous isolerons dans nos expériences d’évolution en laboratoire à partir de cellules sauvages maintenues dans des conditions de croissance délétères (objectif 1). Nous allons aussi rapidement développer notre deuxième objectif grâce à toutes les méthodes que nous avons mises au point et optimisées pendant la phase initiale du projet. Cela se fera via l’arrivée dans l’équipe Coudreuse d’une doctorante qui sera en charge de cet aspect de nos recherches (printemps 2020). Nous sommes également en train d’établir toutes les fondations nécessaires pour les approches génomiques utilisant les isolats naturels de levures de fission (objectif 3). Une post-doctorante va rejoindre l’équipe Liti prochainement pour conduire cet aspect important de nos études. Dans ce contexte, nous explorons des stratégies multiples afin de générer des populations pour la cartographie QTL chez S. pombe, ce qui sera aussi utile pour la communauté utilisant la levure de fission comme modèle de recherche. Cette ressource va jouer un rôle essentiel pour notre compréhension de la façon dont le volume cellulaire a évolué au cours du temps.

Notre projet a débuté récemment et nous faisons des avancées importantes. Nous préparons actuellement un premier manuscrit qui décrit l’utilisation de l’exclusion de fluorescence pour mesurer le volume de levures, qui sera soumis pour publication en 2020.

La régulation du volume cellulaire est un aspect essentiel de la biologie des cellules eucaryotes. Chez les métazoaires, cela contribue à définir la taille et la forme des organismes et joue un rôle important dans le développement et l’architecture des différents tissus. A l’échelle de la cellule unique, volume et surface régissent non seulement la façon dont les cellules perçoivent des stimuli externes et interagissent avec leur environnement, mais également leur chimie et leur organisation internes. Le volume cellulaire est une caractéristique complexe qui est régulée par des facteurs à la fois génétiques et environnementaux. Il a un impact évident sur de nombreux processus, allant de la dynamique du cytosquelette à l’établissement des taux globaux de transcription, et il représente l’un des paramètres les plus pléiotropiques en biologie cellulaire. Malgré cela, notre compréhension des contrôles qui établissent la taille d’une cellule et de leur influence sur les fonctions biologiques reste limitée, notamment du fait que mesurer le volume d’une cellule avec précision reste expérimentalement complexe.

De manière surprenante, l’idée que le volume cellulaire puisse être altéré au cours de l’évolution reste peu explorée, bien que cela puisse faire partie intégrante de la réponse des cellules à des environnements chimiques et physiques spécifiques. Nous proposons donc non pas d’étudier les mécanismes permettant de maintenir l’homéostasie de la taille des cellules sur le court terme, mais de nous intéresser à la relation entre volume cellulaire et adaptation sur le long terme. Pour cela, nous utiliserons comme modèle la levure de fission et combinerons des approches d’évolution expérimentale, une nouvelle méthode pour mesurer le volume des cellules et des analyses génomiques d’isolats naturels de cet organisme.

Tout d’abord, nous évaluerons si l’altération du volume cellulaire est une conséquence importante et récurrente de l’adaptation d’une population à son environnement, et inversement si une pression de sélection sur la taille des cellules favorise l’amélioration de la croissance cellulaire dans des conditions adverses. Nous identifierons les mécanismes responsables de ces changements de volume sur le long terme et nous intéresserons à leur impact sur la prolifération. Ensuite, nous déterminerons si le volume initial des cellules module leurs dynamiques d’adaptation et leurs trajectoires évolutives dans des environnements délétères. Nous testerons également l’existence de compromis qui pourraient être imposés par des changements de taille des cellules, ce qui nous fournira des informations nouvelles sur la façon dont le volume des différents types de cellules eucaryotes a été défini au cours de l’évolution. Enfin, nous explorerons le lien entre volume et adaptation sous un angle différent, en appliquant des analyses génomiques avancées à des dérivés naturels de la levure de fission S. pombe.

Les différents aspects de ce projet multidisciplinaire s’appuieront sur les expertises spécifiques et complémentaires des équipes participantes, et nous permettront d’apporter une nouvelle compréhension de la relation complexe entre le volume d’une cellule et son évolution.