Bruit et robustesse en aval d’un gradient morphogénétique : approche quantitative par imagerie de la transcription dans les embryons vivants – FIREFLY

Les gradients morphogénétiques sont essentiels à l’établissement de polarités axiales au cours du développement. Dans ces systèmes, il est généralement admis que l’information positionnelle est fournie par la concentration de morphogène qui est détectée par chaque cellule et qui détermine son identité. La robustesse extrême de ces processus, malgré des tailles d’individus variables et des conditions environnementales fluctuantes, assure la reproductibilité des patrons d’expression et l’émergence d’individus correctement proportionnés. La description des régulations développementales assume que ces programmes transcriptionnels contrôlent les mécanismes de différentiation de manière robuste et précise. Toutefois, l’analyse du processus de transcription à l’échelle de la cellule unique indique que la transcription est un processus extrêmement fluctuant loin de pouvoir assurer une telle précision. Comprendre comment des seuils d’activité peuvent émerger de manière robuste de ces gradients morphogénétique face à la nature stochastique du processus de transcription est un challenge important et représente l’objectif général de ce projet.

Récemment ce sont développées des approches qui permettent d’observer la cinétique du processus de transcription directement dans les cellules vivantes. Ces approches combinent l’étiquetage fluorescent des ARN en cours de synthèse à l’imagerie sur cellules vivantes à haute résolution temporelle et spatiale. Nous avons récemment adapté ces approches à l’un des organismes modèles le mieux caractérisé, la mouche du vinaigre. Notre but était de mieux comprendre comment l’identité des cellules est contrôlée et maintenue par le système du morphogène Bicoid (Bcd) le long de l’axe antéro-postérieur de l’embryon. En concentrant nos efforts sur l’expression du principal gène cible de Bcd, le gène hunchback (hb) au démarrage de la transcription dans le zygote, nous avons construit un gène rapporteur qui récapitule l’expression endogène de ce gène. Malgré une forte variabilité des cinétiques de transcription dans des noyaux voisins, le promoteur du gène hb est capable d’établir une frontière nette séparant les noyaux antérieurs de l’embryon qui expriment hb des noyaux postérieurs qui ne l’expriment pas. De manière surprenante, il suffit de ~ 3 min à chaque interphase pour que le système mesure de faible différence de concentration et produise une frontière d’expression parfaitement nette.

En considérant que le seul facteur déterminant dans le processus de transcription du gène hb est le gradient Bcd et de plus que les molécules Bcd atteignent leurs sites cibles par diffusion 3D, des considérations de mécanique statistique (combinées aux estimations actuelles concernant la concentration absolue et la vitesse de diffusion des molécules Bcd) montrent qu’il faut au moins 25 min au système pour former une frontière nette. La différence d’un ordre de grandeur entre le temps prédit (25 min) et le temps observé (~ 3 min) suggère des explications alternatives. Nous allons explorer ces mécanismes alternatifs de façon non biaisée en combinant la génétique et l’optogénétique, l’imagerie sur embryon vivant, l’analyse performante des données d’imagerie et la modélisation. Notre objectif est d’identifier des mutants ou des variants naturels chez lesquels la dynamique d’expression d’hb est altérée, nous caractériserons la contribution des corrélations spatiales vs temporelles pour aborder la question de la mémoire transcriptionnelle dans le système Bcd, nous réévaluerons la question des paramètres physico-chimiques absolus de Bcd (concentration/mobilité) par des méthodes d’imagerie innovantes, et nous utiliserons la modélisation pour éclairer ce processus et sa robustesse. La force de ce projet repose sur notre expertise unique du système MS2 combinée à une collaboration établie entre biologistes, biophysiciens et théoriciens.