Bases moléculaires et cellulaires de l'établissement d'un patron dans un épithélium de vertèbre

Molecular and cellular basis of pattern establishment in a vertebrate epithelium

• Auteur / Autrice : Alexandre Chuyen
• Direction : Andrea Pasini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 18/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biologie du Développement de Marseille (IBDM)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Röder, Marc Billaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Gauthier-Rouvière, Roberto Mayor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules épidermiques

Cytosquelette

Morphogenèse

Dactylèthre du Cap

Mots clés libres

Développement du Xénope

Morphogénèse de la peau

Intercalation cellulaire radiale

Patron cellulaire régulier

Patron d’espacement

Dispersion cellulaire

Migration cellulaire

Répulsion cellulaire mutuelle

Remodelage du cytosquelette

Inhibition de contact de la locomotion

Skin morphogenesis

Radial cell intercalation

Regular cell pattern

Cell dispersion

Cell migration

Mutual cell repulsion

Cytoskeleton remodelling

Spacing pattern

Contact inhibition of locomotion

Xenopus development

Résumé

Si le rôle des réseaux de gènes dans la formation de patrons cellulaires réguliers lors du développement est bien compris, comment des tels patrons émergent de comportements cellulaires individuels reste obscur. Au cours du développement de l'épiderme de l'amphibien Xenopus laevis, les cellules multiciliées (MCCs), nées dans une couche épithéliale interne, s’intercalent aux jonctions entre au moins trois cellules de la couche externe selon une règle de non-contiguïté, générant un patron de distribution semi-régulier. Durant ma thèse, j’ai étudié les mécanismes contrôlant la distribution des MCCs. Dans la couche interne les MCCs sont distribués en amas irréguliers qui se dispersent progressivement. Par modélisation mathématique, j’ai montré que la répulsion mutuelle des MCCs et leur affinité avec les membranes cellulaires de la couche externe suffisent pour récapituler une distribution régulière. La vidéomicroscopie confocale a démontré que les MCCs se séparent par un mécanisme d’‘inhibition de contact’ et se dirigent vers les jonctions extracellulaires, les deux phénomènes étant dépendants du remodelage du cytosquelette d'actine. J’ai ensuite montré que des altérations de la voie de signalisation Scf/Kit perturbent la distribution régulière des MCCs, suite à la perte de répulsion mutuelle, à des défauts de réorganisation de l'actine et à une affinité réduite pour les jonctions extracellulaires. Une forme soluble de Scf est responsable du phénomène de répulsion, tandis qu’une forme associée à la membrane de cellules de la couche externe contrôle l’affinité. Ainsi, un seul système de signalisation peut mettre en œuvre une structuration auto-organisée à grande échelle.

One of the major aims of developmental biology is to understand the mechanisms controlling the generation of regular embryonic cell patterns. While the role of complex genes regulatory networks is well characterized, it is less clear how global patterns can emerge from individual cellular behaviors. During the development of the mucociliary epidermis in the amphibian Xenopus laevis, multiciliated cells (MCCs), born within an inner epithelial layer, intercalate to the outer epithelial layer. Intercalation takes place at the junctions among at least three outer layer cells (vertices) according to a strict rule of non-contiguity, resulting in a semi-regular distribution pattern. I studied the mechanisms that control the regular distribution of MCCs. Within the internal layer, MCCs are distributed in irregular clusters that progressively disperse. By mathematical modeling, I showed that the mutual MCC repulsion and their affinity for the outer layer cell junctions are enough to generate a regular pattern. Confocal videomicroscopy shows that MCCs disperse through a contact-inhibition-like mechanism and follow the extracellular junctions towards vertices. Both phenomena depend on Arp2/3-mediated actin cytoskeleton remodelling. I showed that the Scf/kit signal is required for the proper MCC patterning. Perturbations of this pathway result in MCC pattern abnormalities, due to loss of mutual repulsion, impaired actin reorganization and reduced affinity for vertices. A soluble Scf form controls MCC mutual repulsion, while a form present at the outer layer membrane accounts for affinity. Thus, a single signalling system can implement self-organized large-scale patterning.