Spatio-temporal regulation of hunchback during the zygotic genome activation in Drosophila

par Tanguy Lucas

Thèse de doctorat en Biologie du Développement

Sous la direction de Nathalie Dostatni.

Soutenue le 25-09-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) .

Le jury était composé de Emmanuèle Mouchel-Vielh, Samir Merabet, Anne-Marie Martinez, Michael Levine, Patrick Charnay.

  • Titre traduit

    La régulation spatio-temporelle du gène hunchback pendant l'activation du génome zygotique chez la drosophile


  • Résumé

    Les gradients morphogénétiques contrôlent l'émergence de polarités axiales au cours du développement. Bien que la dynamique d'établissement de ces gradients soit bien comprise, la précision des mécanismes d'activation agissant en aval restent à élucider. Nous abordons cette question avec le gradient de Bicoid qui fournit rapidement une réponse transcriptionnelle robuste dans l'embryon de drosophile. Cette robustesse survient malgré le challenge imposé par de fréquentes mitoses dépourvues de transcription. Un calcul théorique intégrant les paramètres physiques de Bicoid (concentration, diffusion) indique que la mesure précise de concentration de Bicoid ne peut être effectuée à chaque interphase en 5-6mn. Il a donc été proposé que l'acquisition rapide de cette robustesse repose sur une mémorisation de l'état transcriptionnel au cours des divisions. Pour tester cette hypothèse, j'ai adapté à l'embryon de drosophile le système MS2 d'étiquetage des ARN dans les cellules vivantes et démontré qu'il permettait de suivre la dynamique transcriptionnelle dans un organisme pluricellulaire vivant. De manière inattendue, le rapporteur MS2 s'exprime aussi postérieurement ce qui m'a empêché de tester l'hypothèse de mémorisation. J'ai montré que cette expression postérieure est due à la présence de sites de fixation pour le facteur de transcription Zelda dans la cassette MS2. Un nouveau rapporteur MS2, dépourvu de ces sites récapitule l'expression endogène et fournit un outil de choix pour tester l'hypothèse de mémorisation. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre la dynamique transcriptionnelle sur laquelle repose l'émergence des patrons d'expression développementaux.


  • Résumé

    Morphogen gradients provide concentration-dependent positional information along polarity axes. Although the dynamics of these gradients is well described, precision and noise in the activation processes acting downstream remain unclear. To address this question, we study the response to the Bicoid gradient that elicits very rapidly a robust transcriptional response in young fly embryos. This robustness occurs despite the challenge imposed by frequent mitoses during which transcription is interrupted suggesting that nuclei measure the Bicoid concentration during the 5-6 mn interphases. Modeling using statistical mechanics and Bicoid physical parameters do not account for accurate measurement of Bicoid concentration in such a short period. It was proposed that rapid robustness of the Bicoid response relies on a memorization process allowing nuclei to recall Bicoid concentration from previous cycles. To understand how the Bicoid system resists to the challenge imposed by mitosis, I have adapted the MS2 RNA-tagging approach to fly embryos and shown that it can be used to quantify transcription dynamics in a living multicellular organism. Unexpectedly, the MS2 reporter was also expressed in the posterior of the embryo making it impossible to directly test the memorization hypothesis. I have shown that this posterior expression is due to binding sites for the transcription factor Zelda unexpectedly localized in the MS2 cassette. A newly engineered MS2 reporter removing those sites faithfully reproduces the endogenous expression providing a powerful tool to test the memory hypothesis. This work opens new avenue to decipher the transcription dynamics underlying pattern formation.

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