Mécanismes de latéralisation de l'épithalamus chez la lamproie et la roussette

par Ronan Lagadec

Thèse de doctorat en Évolution et Développement

Sous la direction de Sylvie Mazan.

Soutenue le 22-09-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) , en partenariat avec Station biologique de Roscoff [Roscoff] (laboratoire) et de Développement et évolution des vertébrés (laboratoire) .

Le jury était composé de Patrick Laurenti, Hervé Le Guyader, Stéphane Noselli, Patrick Blader.


  • Résumé

    Les vertébrés font partie des animaux à symétrie bilatérale mais celle-ci n'est pas parfaite et de nombreuses asymétries sont visibles entre les côtés gauche et droit, notamment au niveau du système nerveux. L'épithalamus s'est imposé comme le modèle de référence pour l'étude des mécanismes de latéralisation du cerveau. Cette structure dérivée du diencéphale dorsal se compose de deux noyaux bilatéraux, les habénulæ et du complexe pinéal, qui regroupe les glandes pinéale et parapinéale. Les habénulæ présentent des asymétries plus ou moins marquées chez tous les grands groupes de vertébrés. La parapinéale est également asymétrique mais elle est absente dans de nombreux taxa. Chez le poisson zèbre, espèce modèle de référence pour l'étude des mécanismes de formation des asymétries épithalamiques, une migration latéralisée de la parapinéale est nécessaire à l'élaboration des asymétries habénulaires. Les mécanismes génétiques sous-jacents ont également été en partie décryptés. La première asymétrie visible dans le diencéphale dorsal correspond à une activité de la voie de signalisation Nodal à gauche. Si cette voie Nodal est essentielle pour induire une asymétrie neurogénétique précoce, elle ne l'est pas pour la formation des asymétries épithalamiques définitives. Son rôle se restreint à biaiser la directionnalité des asymétries en influençant la migration de la parapinéale. Les asymétries habénulaires sont induites par la position finale de la parapinéale. La conservation à l'échelle des vertébrés des mécanismes décrits chez le poisson-zèbre reste une question ouverte. Au cours de ce travail de thèse, j’ai cherché à comprendre l’évolution de ces mécanismes en étudiant un chondrichtyen, la roussette Scyliorhinus canicula et des cyclostomes, les lamproies Petromyzon marinus et Lampetra planeri. Leur position phylogénétique ainsi que les asymétries majeures en taille observées entre les habénulæ gauche et droite font de ces espèces de bons modèles pour comprendre leur origine chez les vertébrés. Mes travaux conduisent à trois conclusions principales :(1) on retrouve, comme chez le poisson zèbre, une expression asymétrique de la voie Nodal dans le diencéphale dorsal gauche de la lamproie et de la roussette; la directionnalité de cette asymétrie est conservée entre les trois espèces, ce qui permet d’exclure une inversion de latéralité précédemment proposée chez la lamproie sur la base d’arguments de taille relative des habénulæ(2) La voie Nodal est essentielle à la formation des asymétries habénulaires chez la roussette et la lamproie, ce qui suggère un rôle ancestral dans l’élaboration des asymétries épithalamiques.(3) une analyse détaillée des patrons de prolifération-différenciation des habénulæ au cours du développement de la roussette met en évidence des asymétries moléculaires et cellulaires multiples ; elle démontre en particulier l’existence d’une neurogenèse asymétrique qui débute plus précocement à gauche. Ces travaux donnent un éclairage nouveau sur l’origine et la diversification des mécanismes contrôlant la formation des asymétries cérébrales chez les vertébrés. L’étude de la roussette et la lamproie, deux organismes modèles non conventionnels, ouvrent de nouvelles perspectives pour leur compréhension.

  • Titre traduit

    Lateralization mechanisms of the epithalamus in the lamprey and the catshark


  • Résumé

    Vertebrates are part of the bilaterally symmetric animals but this one is not perfect and numerous asymmetries can be seen between the left and right sides, especially in the nervous system. The epithalamus has proven itself to be the model system for brain lateralization mechanisms’ studies. This structure derived from the dorsal diencephalon contains by the bilaterally paired habenular nuclei and the pineal complex, which includes the pineal gland and parapineal organ. The habenulae exhibit more or less marked left-right asymmetries among most of the major vertebrate taxa. The parapineal is also asymmetrical but it is absent in many taxa. Zebrafish is the model system for the studies of the developmental mechanisms of epithalamic asymmetries. In this species, a lateralized parapineal migration is required for the establishment of habenular asymmetries. The underlying genetic mechanisms have also been partially decrypted. The first conspicuous asymmetry in the dorsal diencephalon corresponds to a left-sided expression of components of the Nodal signalling pathway. This asymmetric Nodal signalling activity is essential to induce an early neurogenetic asymmetry but not necessary the formation of epithalamic asymmetries per se. Its role is restricted to provide a bias to the parapineal organ’s lateralized migration, and thus influence the laterality of epithalamic asymmetries. Indeed, habenular asymmetries are induced by the final position of the parapineal organ. Conservation of these mechanisms described in zebrafish across vertebrates remains an open question. During this thesis, I tried to understand the evolution of these mechanisms by studying a Chondrichthyes, the catshark Scyliorhinus canicula and cyclostomes, the lampreys Petromyzon marinus and Lampetra planeri. Their phylogenetic position and the major asymmetries in size observed between their left and right habenulae make these species good model systems to understand the origin of these mechanisms in vertebrates. My work leads to three main conclusions:(1) As in zebrafish, we have found an asymmetric expression of the components of the Nodal signalling pathway in the left dorsal diencephalon of the catshark and the lamprey. The laterality of the asymmetry is conserved between these three species, which allows us to exclude a reversed laterality in lampreys like it was proposed on the basis of arguments related to the size of habenular nuclei.(2) The Nodal signalling pathway is requied for the establishment of habenular asymmetries in the catshark and lamprey thus suggesting an ancestral role in the development of epithalamic asymmetries.(3) A detailed analysis of proliferation-differentiation patterns in the catshark habenulae during their development highlighted multiple cellular and molecular asymmetries. In particular it showed the existence of an earlier left-sided asymmetric neurogenesis.These studies provide new insights about the origin and diversification of the mechanisms controlling the establishment of vertebrates’ brain asymmetries. The study of the lamprey and the dogfish, two unconventional model systems open new perspectives for their understanding.

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