Nous cherchons à définir les stratégies inventées par le développement pour former les structures de l’embryon et de l’adulte. Les stratégies combinent la mise en place des patterns spatiaux d’expression des gènes du développement et les comportements des cellules. Les comportements des cellules, en particulier leur réarrangement, caractérisent les développements élaborés des vertébrés et des arthropodes. Chez les invertébrés, les stratégies sont basées sur les interactions entre cellules, sans réarrangement cellulaire. Or, les réarrangements cellulaires défont les interactions entre cellules. La transition entre vertébrés et invertébrés pourrait donc avoir nécessité un changement dans la logique même du développement. Pour analyser ces questions, il faut (1) étudier les réarrangements des cellules durant le développement du représentant actuel de l’intermédiaire entre les invertébrés non chordés et les chordés, l’amphioxus ; (2) avoir une compréhension meilleure des stratégies du développement de l’embryon des vertébrés et (3) comparer directement certains des aspects clés du développement de la souris, du poisson-zèbre et de l’amphioxus.

1. Systèmes modèles et méthodes

L’unité développe des méthodes d’analyse des comportements et réarrangements des cellules dans trois systèmes modèles, la souris, le poisson-zèbre et l’amphioxus. Ces dernières années, nous avons validé de nouveaux systèmes d’analyse clonale que nous avons développés pour complémenter la méthode LaacZ restreinte à un tissu.

Avec la première nouvelle méthode (le système LaacZ universel), l’expression du gène rapporteur n’est plus restreinte à un tissu particulier. Nous pouvons détecter toutes les cellules des clones, ce qui autorise l’étude des réarrangements des cellules dans l’embryon précoce dès le début de la gastrulation, avant l’individualisation des feuillets embryonnaires (Fig. 1).

Avec la seconde méthode (le système d’induction temporelle des clones), le moment où le marquage commence est contrôlé. En conséquence, nous pouvons obtenir une représentation clonale à saturation de n’importe quel stade du développement. De plus, en fonction du montage génétique utilisé, la cellule dans laquelle le marquage clonal est initié peut être ou non ciblée et en fonction du gène rapporteur utilisé, une analyse topographique globale peut être entreprise à un temps précis du développement (rapporteur LacZ), ou les cellules peuvent être suivies in vitro (rapporteur GFP).

Finalement, avec la dernière méthode (collaboration avec N. Peyriéras), nous envisageons de mettre au point l’imagerie dynamique 3D+t pour suivre les cellules durant le développement du poisson-zèbre et de l’amphioxus. Les reconstructions 3D+t de longues périodes du développement permettraient l’analyse clonale in silico de toutes les cellules d’un même embryon. Cette approche fournirait aussi les informations sur les changements de forme des cellules qui accompagnent la plupart des transitions du développement.

2. Les problèmes biologiques

Les problèmes biologiques étudiés ces dernières années concernent le comportement des cellules (a) durant la gastrulation et l’élongation de l’embryon quand les organes sont placés selon les axes AP et DV ; (b) durant la formation de deux structures à trois dimensions, à savoir les couches des neurones, produites par la zone ventriculaire dans le système nerveux central et les feuillets épithéliaux produits par les cellules-souches du follicule pileux (HF). Les divers comportements des cellules identifiées jouent un rôle crucial dans le « shaping » de ces structures.

1. L’exploitation du système LaacZ universel et du système d’induction des clones ciblé aux cellules qui expriment Brachyury (les cellules de la ligne primitive et du bourgeon de la queue) nous a permis d’identifier très précisément les modes de division et les changements de potentialité des cellules impliquées dans la gastrulation et l’élongation de l’embryon.

2. Une analyse poussée de l’élongation de la moelle épinière chez le poulet et de l’ectoderme de surface chez la souris a montré le rôle crucial de la dispersion cellulaire coordonnée, de la convergence et de l’intercalation. La division cellulaire orientée et les modes de croissance jouent aussi un rôle.

3. Nous avons montré (chez le poulet) en utilisant la microscopie confocale « time-lapse » qu’après l’individualisation du neuroépithélium, RhoA est impliqué dans le maintien de l’orientation en fuseau mitotique parallèlement au plan du neuroépithélium. Ceci est important car l’orientation de la division contrôle le destin des cellules en distribuant de façon asymétrique certains produits.

4. L’analyse détaillée du renouvellement du follicule pileux avec le système d’induction de clones a révélé une couche de cellules particulières dans la matrice. Cette couche accolée à la papille dermique a les propriétés d’une couche germinative. Les cellules s’y divisent selon un mode souche (Fig. 2). Notre analyse révèle aussi que l’orientation des divisions est fonction de la position proximo-distale des cellules dans la matrice. Les cellules produites par la couche germinative s’intercalent radiairement et se placent précisément dans une colonne clonale. Tous ces facteurs contribuent au « shaping » du follicule pileux. Nous avons établi les relations entre le processus du choix du destin des cellules et les contrôles du comportement des cellules. Ces deux opérations fondamentales du développement sont découplées. Ce découplage pourrait être un exemple d’une stratégie générale du développement visant à simplifier l’organisation génétique de la morphogenèse.

Mots-clés: LaacZ / lignage cellulaire / embryon de souris / analyse clonale / système nerveux central / follicule pileux / Amphioxus / poisson-zèbre / biologie du développement