Réponse transcriptionnelle sigmoïde de gènes précoces immédiats de la voie ERK – ERK-IEG

L'objectif du projet est de fournir une compréhension quantitative et mécanistique de la manière dont les signaux cellulaires gradués sont convertis en une réponse transcriptionnelle sigmoïdale dans un contexte multicellulaire. Au cours du développement animal, les cellules sont exposées à des gradients et à des fluctuations de signalisation. Ces signaux sont interprétés pour générer des domaines précis d'expression génique. Cependant, les mécanismes sous-jacents à cette conversion de signaux ne sont pas bien compris et sont difficiles à étudier, en partie en raison de l'hétérogénéité de la réponse qui est inhérente à de nombreux systèmes biologiques. Par exemple, dans le cas de l'activation des gènes cibles directs médiée par ERK dans les systèmes de culture cellulaires de mammifères, le pouvoir prédictif des niveaux d'activation d’ERK pour les niveaux de produits géniques est estimé à seulement 35 % environ. Notre projet aborde la conversion d'un signal gradué en une réponse transcriptionnelle sigmoïdale d'un gène précoce immédiat (IEG). Nous abordons ce problème en tirant parti des configurations cellulaires invariantes des embryons d'ascidies, dans lesquels des cellules individuelles peuvent être identifiées sans ambiguïté en fonction de leur position. Notre système expérimental est la première étape de l'induction neurale, dans lequel un signal FGF-ERK est converti en une réponse transcriptionnelle sigmoïdale d'un IEG (Otx). Le système est simple, rapide et extrêmement robuste, contournant ainsi le problème de l'hétérogénéité de la réponse. Alors que les huit cellules de l'ectoderme antérieur sont toutes compétentes pour répondre au signal inducteur neural FGF et sont en contact direct avec les cellules mésendodermiques exprimant FGF, seules deux cellules initieront la spécification neurale, manifestée par l'activation transcriptionnelle d’Otx. Nous avons récemment montré que chaque cellule ectodermique présente un niveau d'activation d’ERK proportionnel à sa surface de contact avec les cellules mésendodermiques exprimant FGF. Les précurseurs neuraux sont ceux qui ont la plus grande surface de contact. Cette activation graduée d’ERK est convertie en une réponse transcriptionnelle bimodale d’Otx, ce qui limite son expression aux précurseurs neuraux. La relation quantitative entre ERK et Otx présente une réponse sigmoïdale avec un coefficient de Hill d'environ 6. Dans ce projet, nous explorerons l'hypothèse centrale selon laquelle cette réponse sigmoïdale dépend à la fois d'un activateur et d'un répresseur transcriptionnel de la famille ETS, Ets1/2 et ERF, qui sont contrôlés par ERK de manière inverse et ciblent les mêmes sites de liaison à l'ADN dans les séquences régulatrices amont du gène Otx. Nous explorerons plusieurs aspects de cette configuration régulatrice qui contribuent potentiellement à la réponse transcriptionnelle sigmoïdale : liaison coopérative des facteurs de transcription ; compétition entre l'activateur et le répresseur ; phosphorylation multi-site ; compartimentalisation subcellulaire ; nature stochastique des signaux ; condensation nucléaire. Bien que ces phénomènes aient été abordés individuellement, parfois théoriquement, un point unique de ce projet est que nous abordons leur contribution combinatoire dans le cadre d’une décision cellulaire in vivo. Ce projet sera réalisé par notre consortium de biologistes expérimentaux et de chimistes computationnels/physiciens théoriciens, dont la synergie productive est attestée par des publications conjointes récentes. Nous combinerons l'imagerie quantitative, la biologie moléculaire, la biologie expérimentale et la modélisation mathématique. La conservation évolutive de la voie ERK, ainsi que son implication dans le développement, l'homéostasie et différentes pathologies, indiquent la pertinence du projet et l'intérêt général pour les domaines de la signalisation cellulaire, de la biologie du cancer et de la biologie du développement.