Phenotypic Variations In Animal Morphogenesis : Sea Urchin Twins And Cloned Rabbits

par Dimitri Fabrèges

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Nadine Peyriéras.

Soutenue le 11-01-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne) , en partenariat avec BioEmergences (Gif-sur-Yvette) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    Variations phénotypiques de la morphogénèse animale : jumeaux d'oursins et lapins clonés


  • Résumé

    La variabilité est une propriété intrinsèque aux systèmes biologiques, essentielle pour l'évolution et l'embryogénèse. Souvent considérée comme du bruit, ce n'est que récemment que l'aléatoire des processus biologiques a commencé à être systématiquement étudié. Cette thèse pose les questions suivantes : qu'est-ce qu'un développement normal ? Quel est l'étendue et le rôle de la variabilité dans la robustesse et la résilience du développement embryonnaire ?Ces questions sont posées pour le lapin (Oryctolagus cuniculus) et l'oursin (Paracentrotus lividus et Sphaerechinus granularis).Nous nous sommes aussi intéressé à la quantification du déterminisme de la variabilité embryonnaire à l'aide d'oursins jumeaux et de lapins clonés.La mesure des comportements cellulaires est effectuée sur des lignages cellulaires obtenus à partir d'imagerie 3D+temps. Nous montrons que les oursins jumeaux peuvent se développer selon trois phénotypes différents, jamais observés chez le normal, avant de converger vers une blastula d'apparence normale. De plus, les comparaisons entre et au sein des pairs de jumeaux montrent que le phénotype et la survie ne dépend que de l'histoire individuelle des embryos.Nos mesures quantitatives des pairs de jumeaux amènent des questions ouvrant de nouveaux horizons de recherche : les jumeaux sont-ils robustes ou résilient ?Le développement pré-implantatoire des lapins a été étudié sur cinq embryons numériques (trois sauvages et deux clones), du stade 32-cellules à l'éclosion.Nous montrons que les divisions asymétriques internes et externes régulent la variation du nombre de cellules internes ainsi que la taille de la masse cellulaire.De plus, la variation du nombre de cellules internes est plus grande que pour les cellules externes, ce qui semble directement lié au taux de morts cellulaires.Notre hypothèse est que le potentiel de bon développement des clones est assuré par une grande plasticité épigénétique des cellules donneuses.Ce travail espère définir des méthodes et des concepts fondateurs pour une exploration quantitative et une modélisation multi-échelle de la morphogénèse animale.


  • Résumé

    Variability is an intrinsic characteristic of biological systems, essential for evolution and embryogenesis.Considered as noise for centuries, it is only recently that the stochasticity of biological processes has began to be systematically explored.The present thesis addresses the following questions: What is a normal development?What is the extent and role of variability in developmental robustness and resilience?We tackle these issues in rabbit (Oryctolagus cuniculus) and sea urchin (Paracentrotus lividus and Sphaerechinus granularis).We also aimed to quantify determinism and stochasticity of developmental variability by means of sea urchin twins and cloned rabbits.Variations in cell behaviors were investigated through reconstruction of cell lineage from 3D+time imaging.We showed that sea urchin twins can follow three different developmental paths never observed in normal embryo, before converging to normal looking blastula.Moreover, comparisons between and within pairs of twins revealed that phenotype and survival depend on individual history alone.Our quantitative observation of twin pairs raises question opening a future line of research: are twins robust or resilient?Rabbit preimplantation development was explored with five digital specimens (three wild-types and two clones) from the 32-cell stage to hatching.We showed that inner and outer asymmetric divisions regulate the variation of inner cell number and may control inner cell mass size.In addition, the variation of inner cell number in clones is higher than outer cells which seems to be directly correlated to their cell death ratio.Our current hypothesis is that the potential to lead to viable clones requires plasticity of donor's epigenetic state.This work is expected to ground concepts and methods for a quantitative exploration and further multilevel modeling of morphogenetic processes.


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