Les fluctuations hors équilibre comme moteurs de la fluidification des tissus au cours du développement embryonnaire – N-EDEV

D’un point de vue expérimental, nous avons développé un dispositif adaptable permettant d’imposer une température contrôlée aux embryons en développement tout en permettant leur observation. Il s’agit d’une platine porte-échantillon avec un module peltier intégré doubler d’un système de circulation à eau assurant l’éventuelle dissipation thermique requise par le peltier.

Pour assurer que la température est correctement imposée aux embryons et que la mesure de celle-ci est fiable, les embryon sont collé sur un lamelle de verre et entourés d’une chambre métallique scellée immergé dans de l’eau, la mesure de température est donc faite directement dans l’eau (à l’aide d’un thermocouple), le milieu entourant les embryons.

Ce dispositif est adaptable à différent microscope ce qui nous permet d’imager à différente échelles :

- Celle de l’embryon complet avec un microscope classique en lumière transmise. Nous imageons alors l’embryon selon le plan sagittal et observons le processus complet d’extension de la bande germinale, depuis le moment de la cellularisation, jusqu’à la fin de l’extension.

- Celle du tissue en microscopie confocale à disque rotatif. Ici nous imageons la surface de l’embryon au niveau de la face apicale des cellules, depuis la gastrulation jusqu’à la fin de l’extension de la bande germinale.

En terme d’analyse, à l’échelle de l’embryon, nous traquons manuellement l’extension de la bande germinale en suivant le déplacement des cellule du pole puis de l’invagination endodermique. Cela nous permet de caractériser l’extension de la bande germinale à grande échelle et ce en fonction de la température.

A l’échelle du tissue, nous procédons à une segmentation du tissue automatisé et nous traquons le déplacement des cellules au cours du temps en utilisant un traqueur de particule. A partir de là et en reconstituant les trajectoires, nous évaluons la vitesse des cellules, leur déformation et nous détectons les évènement topologiques. L’objectif étant de décrire comment la dynamique et la topologie du tissue sont impactées par la température et dans quelle mesure ces changement de comportement à l’échelle tissulaire contribuent dans les changements observés à l’échelle embryonnaire.

Par ailleurs, dans le cadre des expérience à l’échelle du tissue, nous imageons la myosin de l’embryon. Nous nous intéressons à décrire également comment les fluctuations de tension corticale (observée ici par via la myosin comme rapporteur de l’activité corticale) contribuent activement à entrainer les changements dynamique et topologique observés dans le tissu en fonction de la température, en ce que la régulation de la tension corticale est connue pour controller entre autre les contraction apicale des cellules ou la dynamique des jonctions cellulaire et donc promeut ou non les réarrangements entre les cellules.

1- A l’échelle de l’embryon

Les données de position extraites permettent de calculer la distance parcourue par la zone traquée et de fait l’extension de bande germinale en fonction du temps. On peut alors nettement observer quatre régimes successifs :

1. Aucun mouvement avant la complétion de la cellularisation (t=0).

2. Phase d’extension lente s’amorçant après un certain temps.

3. Phase d’extension rapide durant laquelle se produit la majeur partie de l’extension.

4. Ralentissement de l’extension jusqu’à la fin du processus.

Le début de la phase 2 et la durée et le rythme de la phase 3 dépendent clairement de la température : une température plus élevée accélère systématiquement ces étapes.

De ces courbes (d’allure pseudo-sigmoïdale) nous extrayons un taux d’extension en les fittant par une sigmoïde asymétrique. Cela nous donne deux valeurs de taux par condition de température, que nous combinant en un taux via une moyenne pondérée par le nombre de points de part et d’autre du point d’inflexion.

Ces taux nous permettent alors de caractériser le taux d’extension dans le cadre d’un graph d’Arrhenius (logarithme du taux en fonction de l’inverse de la température). Nous vérifions entre autre ici que comme démontrer théoriquement récemment (Voits et al., PRX life, 2025), la dépendance la réponse à la température d’un système biochimique complexe (tel que l’est un organisme en développement) est quadratique dans un graph d’Arrhenius et non linéaire comme peut l’être la réponse d’une simple réaction biochimique.

2- A l’échelle du tissu :

Nous avons développé une méthode nous permettant d’extraire et caractériser les « pulses » de myosine du signal d’expression cellulaire. Leur durée et leur fréquence dépendent fortement de la température : à température élevée, les « pulses » deviennent plus courts mais plus fréquents

Si la vitesse moyenne des cellules augmente logiquement avec la température, les cellules se déplacent également plus vite pendant un « pulse » qu’en moyenne au long de leur trajectoire. Par ailleurs, nos observations préliminaire suggère une relation entre la vitesse des cellules et les fluctuations instantanées de myosine.

Durant un pulse, il semble que le contrôle de l’aire des cellules se stabilise : les fluctuations instantanées d’aire diminuent, sans bloquer le changement d’aire. Bien que cette stabilisation ne dépende pas a priori de la température, le temps caractéristique de changement d’aire lui diminue avec la température, pouvant indiquer un meilleur contrôle des contraction cellulaire, requises pour la fluidification des tissus.

Enfin, d’un point de vue de la topologie, la fréquence des évènements topologique (notamment les rosettes) semble augmenter avec la température et les cellules impliquée dans ce genre de transition topologique semblent plus rapide que les autres, ce qui pourrait en partie expliquer les mécanismes qui sous-tendent les changement de taux d’extension de la bande germinale à l’échelle de l’embryon.

Premièrement, afin d’approfondir les observation détaillée dans la partie précédente, nous travaillons actuellement à appliquer des méthodes de description des tissus biologique déjà développer (notamment Blanchard et al. Nature methods, 2009), ces méthodes permettent à partir de l’observation du mouvement global du tissu d’évaluer les contributions individuelles de la pure déformation cellulaire et du mouvement relatif des cellules les une par rapport aux autres (réarrangements). Utiliser ce genre de formalisme devrait nous permettre de formaliser et récapituler nos diverses observations dans un cadre unifié et de potentiellement concrètement faire le liens entre les différentes échelles d’intérêt.

Deuxièmement, nous souhaiterions, en collaboration avec des théoriciens, corréler nos mesures et observations à un modèle visco-élastique et déterminer l’influence de la température dans ce modèle afin de répondre à la question: en fonction de la température, est-ce seulement les paramètres du modèle qui changent ou le modèle lui-même doit-il être réévalué ?

Plusieurs approfondissement pourraient être envisagés par la suite à plus ou moins courts termes, par exemple :

- L’extension de la bande germinal est contrôlée par différente force internes et externe qui assure son bon développement, en utilisant des lignées génétiquement modifiées nous pouvons perturber ces différentes forces et ainsi observer en fonction de la températures comment le développement est impacté ou si un changement de température peut « compenser la perturbation »

- Mesurer l’activité métabolique à l’échelle de l’embryon (e.g. par calorimétrie) et de la cellule/du tissu (e.g. via des rapporteur fluorescent d’activité métabolique) pourrait permettre de déterminer le lien entre consommation d’énergie et activité du tissu en fonction de la température : la relation entre les deux est-elle linéaire ?

- Une lignée génétiquement modifiée est capable d’exprimer des protéines fluorescentes qui s’auto-assemble pour former des nanoparticules de taille connues et observable en microscopie confocale. En suivant des méthodes déjà établies (Muenker et al., Nature Materials, 2024), de telles lignées nous permettraient de mesurer in situ avec un minimum de perturbation (mesure passive) la viscosité des cellules et ainsi déterminer son évolution en fonction de la température et étudier comment elle corrèle avec la fluidité du tissu.

Le développement embryonnaire dépend fortement de la dynamique des tissus biologiques, qui résulte elle-même des propriétés cellulaires tels qu’adhésion cellulaire, tension corticale, pression osmotique, élasticité et viscosité. Des modèles physiques décrivent comment la dynamique des tissus émerge de ces propriétés cellulaires, mais il n'y a pas de consensus sur la manière de traiter le fait que ces systèmes consomment continuellement de l'énergie et sont donc loin de l'équilibre.

Alors que la distribution globale de la tension dans l'embryon contrôle le flux des tissus, il a récemment été proposé théoriquement que les fluctuations locales de tension des contacts cellule-cellule sont nécessaires. Ces fluctuations permettent les réarrangements cellulaires, le tissu se comporte alors comme un fluide visqueux plutôt qu'un solide élastique. Cependant, peu d'études ont été menées pour quantifier ces fluctuations et les associer aux réarrangements cellulaires et à la dynamique des tissus. En outre, il n’est pas connu comment ces fluctuations énergétiquement coûteuses sont liées aux effets hors équilibre résultant de la consommation d'énergie.

Dans ce projet, j’imagerai l'embryogenèse de la Drosophile pour quantifier les fluctuations de tension à l'échelle de la cellule et les corréler avec les réarrangements cellulaires et la vitesse d'écoulement des tissus. J'utiliserai des techniques expérimentales pour modifier la vitesse d'écoulement des tissus (par la température) et la consommation d'énergie des cellules (en manipulant le métabolisme) pour (1) découvrir le rôle que jouent les fluctuations de tension à l'échelle cellulaire dans la fluidification des tissus, (2) mesurer comment ces fluctuations dépendent de la consommation d'énergie au sein de la cellule, et (3) révéler les rôles relatifs des effets hors équilibre sur les fluctuations à l'échelle de la cellule, la dynamique à l'échelle du tissu et le développement à l'échelle de l'organisme.