Blanc SVSE 2 - Blanc - SVSE 2 - biologie cellulaire et biologie du développement

Compréhension dynamique et quantitative de la formation d'un axe de polarité chez la drosophile – AXOMORPH

AXOMORPH

Si le rôle des morphogènes dans l’établissement de polarités axiales est bien établi, des débats subsistent sur la précision de la mesure de leur concentration et des étapes moléculaires agissant en aval. Comprendre comment ces gradients sont établis, comment des seuils d’activité émergent de leur décroissance lente et avec quelle précision, face à des différences de taille ou de conditions environnementales, est un nouvel enjeu en Biologie du Développement qui constitue l’objectif de ce projet.

Compréhension dynamique et quantitative de la formation d'un axe de polarité chez la drosophile

L’objectif est de fournir une compréhension dynamique et quantitative du mode de fonctionnement du morphogène Bicoid. Dans ce but, nous utilisons des approches innovantes d’imagerie, qui fournissent une analyse dynamique et quantitative de ce gradient et de son activité dans l’embryon pour permettant de confronter ces données expérimentales à des modèles théoriques.<br />Notre 1er objectif concerne la dynamique des molécules Bicoid. Des mesures par spectroscopie de corrélation (FCS) ont révélé l’hétérogénéité de la motilité des molécules Bicoid. Notre but est de comprendre les causes de cette hétérogénéité.<br />Le 2eme objectif est de comprendre le mécanisme d’effet de seuil qui permet le positionnement précis de la bordure d’expression des cibles de Bicoid. Nous combinons approche expérimentale et modélisation afin de comprendre le rôle respectif de Bicoid et d’Hunchback dans la définition du seuil de concentration de Bicoid nécessaire à une réponse donnée. <br />Notre 3eme objectif est de comprendre comment l’embryon précoce et le système Bicoid résiste au défit imposé par les divisions rapides des noyaux qui se déroulent en absence de transcription. Notre but est de confirmer ou d’infirmer l’existence d’un processus de mémorisation transmettant le statut transcriptionnel de chaque locus cible au cours des divisions. <br />Enfin, il est généralement admis que l’information positionnelle est mesurée par chaque noyaux à un temps donné et indépendamment de ses voisins. Au cours de ce projet, nous pourrions réaliser que cette hypothèse est trop simplifiée et que l’environnement spatial de chaque noyau et son histoire en termes d’expression de facteur de transcription à des cycles antérieurs soient essentiels à la réponse à Bicoid et à sa robustesse. Le but de la dernière partie de ce projet est d’envisager des modèles plus complexes tenant compte de ces possibilités.

Le projet est constitué de cinq tâches qui sont largement indépendantes excepté la Tâche 1 (coordination). Chacune des autres Tâches (Tâche 2 à 5) correspond à un des quatre objectifs spécifiques du projet : la Tâche 2 sera dédiée à la dynamique des molécules Bicoid, la Tâche 3 au mécanisme de l’effet de seuil permettant de positionner les bordures d’expression des gènes cibles de Bicoid, la Tâche 4 au processus de mémorisation et la Tâche 5 au mécanisme de moyennage spatial. Les quatre Tâches seront réalisées en parallèle par les différents membres du consortium.
Etant donné l’approche interdisciplinaire proposée, toutes les Tâches impliquent au moins deux partenaires du consortium. Elles sont organisées pour fournir un contexte favorable aux collaborations entre les trois partenaires et au synergisme nécessaire pour progresser de manière rapide et efficace au-delà des limites de la connaissance concernant chacune des questions posées.

Non applicable pour l'instant

In parallel to its power in helping to solve fundamental questions of developmental biology, the Bicoid morphogen in the Drosophila embryo provide a unique simple system to examine protein diffusion and the onset of de novo transcription within a developmental field. The originality and the novelty of this proposal rely on the development of challenging experimental approaches of leading-edge imaging to tackle these questions. They include i) fluorescence correlation spectroscopy, ii) multi-scale collection of fluorescent in situ hybridization data at the resolution of each nucleus on the whole organism and at different nuclear cycle and iii) the development of a strategy to follow the process of transcription in living organisms with a similar multi-scale resolution than with FISH. The accumulation of a huge amount of data will require their processing in order to understand at best their meaning and will provide strong support for modeling. The proposed models will quantitatively challenge our understanding of the molecular processes governing morphogen formation and activity, and in turns propose new quantitative experiments to test their theoretical predictions. The interplay of these two approaches will allow for a full understanding of the precision of morphogen gradients. Finally, these approaches should provide key landmark studies to adapt these new experimental and theoretical developments to more complex systems. In the longer term, this research should facilitate the development of reliable technologies enabling the quantitative monitoring of biological processes including disease detection and progression, or, therapeutic efficacy.

Non applicable pour l'instant

Une question récurrente en Biologie du Développement est de comprendre comment les bons gènes sont exprimés au bon endroit et au bon moment au cours du développement pour produire et coordonner les nombreux types cellulaires qui composent l’organisme adulte. Alors que nous connaissons maintenant la plupart des acteurs moléculaires impliqués, le challenge aujourd’hui pour comprendre cette coordination est de comprendre comment ces différents acteurs interagissent et ce de manière quantitative dans des dimensions spatiales et temporelles. Une pléthore de facteurs de transcription joue un rôle critique au cours du développement, depuis l’acquisition de l’identité cellulaire à la différenciation terminale. Il est aussi clair que des seuils de concentration limite sont critiques pour engendrer des réponses appropriées. Dans des situations extrêmes, ils sont distribués sous forme d’un gradient de concentration et capables d’induire l’expression de différents ensembles de gènes en fonction de leur concentration. Ces facteurs, appelés morphogènes, contrôlent ainsi des cascades moléculaires transformant l’information contenue dans leur gradient de concentration en une information spatiale, associée à une identité cellulaire spécifique. Bien que le rôle critique du morphogène dans le développement de polarités axiales soit maintenant bien établi, de nombreux débats subsistent sur la précision de la détection de sa concentration et des étapes moléculaires agissant en aval. Comprendre comment ces gradients sont établis, comment des seuils d’activité émergent de leur décroissance lente et avec quelle précision se déroulent ces processus, face, par exemple, à des différences de taille ou de conditions environnementales, est un nouveau challenge en Biologie du Développement et constitue l’objectif principal de ce projet de recherche.

Pour répondre à ces questions, nous avons choisi l’exemple simple du gradient de Bicoid chez l’embryon de drosophile. Notre objectif est de déchiffrer le mode de fonctionnement de ce gradient de manière précise en utilisant des approches quantitative et leurs évaluations théoriques. Nous nous intéresserons à la dynamique de la protéine Bicoid et à son activité transcriptionnelle au cours des divisions rapides des noyaux de l’embryon syncytial. Nous utiliserons des approches d’imagerie de pointe fournissant des mesures quantitatives de ce gradient et de son activité dans le contexte du développement de l’embryon. Des recherches de corrélations et des analyses statistiques permettront d’extraire des données collectées à différentes échelles spatiales (embryons entier, noyaux, locus génomique) en fonction du temps, l’information essentielle à une meilleure compréhension de ces mécanismes. En parallèle, ces données seront confrontées à des modèles théoriques et la possibilité d’utiliser la génétique permettra de manipuler le système pour créer des perturbations et tester l’exactitude de ces modèles. Dans son ensemble, ce projet permettra de déterminer comment un gradient de concentration de Bicoid est établi de manière précise dans l’embryon une heure et comment la machinerie transcriptionnelle est capable de « mesurer » précisément ces concentrations pour fournir une réponse transcriptionnelle précise en moins de deux heures.

La force de ce projet de recherche repose sur l’existence d’une collaboration fructueuse entre l’équipe de génétique de la drosophile de Nathalie Dostatni Lantieri (Partenaire 1, Institut Curie, Paris) et celle de biophysique expérimentale de Cécile Fradin (Partenaire 2, Université Mc Master, Hamilton, Canada). Par ailleurs, l’accumulation de données quantitatives sur ce système bénéficiera de l’expertise de Mathieu Coppey (Partenaire 3, LKB, ENS, Paris) pour l’analyse des données et de celle d’Aleksandra Walcsak (partenaire 3, LPT, ENS, Paris) pour l’élaboration de modèles théoriques.

Coordination du projet

Nathalie DOSTATNI LANTIERI (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS, LPT CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B

Aide de l'ANR 399 984 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 36 Mois

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