Retinoic acid signaling in chordates : the evolutionary history of a morphogen-dependent signaling

par João Emanuel Marques Carvalho

Thèse de doctorat en Biologie du Développement

Sous la direction de Michael Schubert.

Soutenue le 31-01-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Biologie du Développement de Villefranche sur mer (laboratoire) .

Le président du jury était Elisabeth Christians.

Le jury était composé de Michèle Studer, Simona Saccani, Moisès Mallo, Muriel Umbhauer.

Les rapporteurs étaient Michèle Studer, Simona Saccani.

  • Titre traduit

    La voie de signalisation de l'acide rétinoïque chez les chordés : l'histoire évolutive d'une communication intercellulaire dépendante d'un morphogène


  • Résumé

    L'une des caractéristiques les plus frappantes des animaux multicellulaires, aussi appelés les métazoaires, est leur étonnante diversité morphologique. Des études de type phylogénétique ont permis de mettre en relation cette abondance et cette variété observées au sein des formes de vie animale avec des différences au niveau de processus moléculaires, cellulaires, tissulaires et organiques. Parmi ces différences, celle affectant les programmes de développement apparaît comme un aspect clé de la diversité des métazoaires. Les programmes de développement reposent entre autres sur la mise en œuvre de communications entre cellules, ou entre milieu environnant et cellules, et ces communications sont assurées au niveau moléculaire par le déploiement de cascades d'activités protéiques nommées les voies de signalisation. Une des voies de signalisation essentielles au cours du développement de nombreux métazoaires est la voie de l'acide rétinoïque (AR). Le fonctionnement et les rôles de cette voie pendant le développement animal ont fait l'objet de nombreuses recherches, ces travaux ayant aboutis à des découvertes majeures. Néanmoins des analyses supplémentaires restent requises afin de mieux comprendre l'histoire évolutive de cette voie, du métabolisme de l'AR à la transmission de son signal, en passant par l'identification de ses gènes cibles, ses interactions avec d'autres voies de signalisation, et ses fonctions au cours du développement, le tout au sein du règne animal. Dans ce contexte, étudier cette voie chez un métazoaire tel que le céphalochordate amphioxus, qui possède une voie de signalisation de l'AR équivalente à celle des vertébrés, mais avec une redondance moléculaire moindre, représente une étape importante pour identifier l’architecture et les fonctions ancestrales de cette voie parmi les chordés.Chez l’amphioxus, la voie de signalisation de l'AR est étudiée depuis plus de 20 ans, mais peu de choses sont encore connues sur la régulation de la biodisponibilité de l'AR pendant le développement et sur la nature de ses gènes cibles et du réseau régulateur qu’ils définissent. Le but de mon travail de thèse a par conséquent été d’étudier ces deux aspects fondamentaux de la voie de signalisation de l'AR chez l'amphioxus. Au cours de mon projet de recherche, j’ai utilisé comme modèle d’étude l'amphioxus européen, Branchiostoma lanceolatum, pour lequel j’ai également mis en œuvre de nombreuses améliorations du système de culture ainsi que développer des techniques d’analyses in vivo, comme la microinjection d'ARNm dans des œufs.


  • Résumé

    One of the most striking features of multicellular animals, the metazoans, is their amazing morphological diversity. Even though phylogenetic research has made remarkable progress towards revealing how the abundance and variety of animal life forms relates on the molecular, cellular, tissue, and organismal level, the alteration of developmental programs has been revealed as a key aspect in this process. During development, a rather limited number of signaling pathways has been shown to be instrumental for generating metazoan diversity. The retinoic acid (RA) signaling pathway is one of these instrumental signaling cascades. A significant amount of time and work has been used to characterize the functions and roles of RA signaling during development, although further work is required to better understand the evolutionary history of the RA signaling network, from metabolism to signal transduction passing by the interactions with other signaling cascades and its developmental functions and how they evolve with time. In this context, model organisms with representative, vertebrate-like RA signaling cascades, such as the cephalochordate amphioxus, will be an important case-study in order to identify the blueprint of an ancestral RA network.The amphioxus RA signaling pathway was initially studied about 20 years ago, even though not much is known about the bioavailability of RA during development. Moreover, the target genes of the RA signaling pathway and their hierarchical relationship during amphioxus development represent an interesting open question. Therefore, this work aimed at providing a detailed description of two fundamental aspects of the RA signaling pathway during amphioxus development: (1) the regulation of the bioavailability of RA in the developing embryo and (2) the target genes under the control of the RA signaling pathway together with their hierarchical regulatory relationship. To address these questions, the European amphioxus, Branchiostoma lanceolatum, was used as a model system.During my research project, not only these questions were fundamental, but also the implementation of amphioxus as a reliable model system and thus the establishment of multiple aquaculture improvements as well as in vivo techniques, such as the microinjection of mRNAs into amphioxus eggs. Furthermore, to characterize the bioavailability of RA during development of amphioxus, I focused on the study of the enzymes that mediate the catabolism of RA endogenously, the CYP26 subfamily proteins. I thus described the evolutionary diversification of CYP26 genes in deuterostomes as well as their expression, their function and the mechanisms that govern the feedback loop controlled directly by RA during amphioxus development.Additionally, to shed light on the target genes under the control of the RA signaling pathway during amphioxus development, I combined pharmacological treatments using retinoid-specific drugs with two different techniques of high throughput sequencing: RNAseq, that revealed the entire RNA profile and thus the genes being expressed at a given moment in time, and ATACseq (assay for transposase-accessible chromatin) that provided a global overview of accessible regions of the chromatin (i.e. open chromatin regions). By combining the data obtained by these techniques, I revealed a new set of genes that are under the control of the RA signaling pathway as well as new potential regulatory loops driving RAR-mediated expression. Moreover, I established a framework to characterize gene hierarchies during development that can be widely applied to other signaling pathways and organisms.


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