Dynamique éco-évolutive de la multicellularité agrégative: étude du rôle de la plasticité phénotypique chez Dictyostelium discoideum.

par Mathieu Forget

Projet de thèse en Frontières du vivant

Sous la direction de Silvia De monte.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Frontières du vivant , en partenariat avec Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    La multicellularité agrégative, i.e la formation d'organismes multicellulaires différenciés à partir de cellules aux génotypes potentiellement différents, est une énigme de l'évolution. Du fait de ses similarités avec les paradoxes de la coopération, la sociobiologie a été utilisée pour comprendre l'émergence d'une telle organisation "sociale" chez les microbes. Dans ce contexte les explications évolutives invoquées reposent essentiellement sur l'importance de l'homogénéité génétique au sein des agrégats bien que celle-ci ne soit pas toujours vérifiée. Tandis que l'on considère en général le fond génétique comme déterminant pour l'attribution du rôle de la cellule au sein de l'agrégat, l'importance de la stochasticité phénotypique a également été invoquée et pourrait permettre d'éviter la perte de la coopération. En effet, le succès des « tricheurs » n'est plus possible si l'état phénotypique de la cellule est dépendant d'une « loterie » dans laquelle le destin de chaque cellule est lié à son état physiologique avant l'agrégation plutôt qu'à son fond génétique. Ce projet vise à comprendre comment la plasticité phénotypique a pu permettre l'évolution d'une division du travail stable dans les organismes multicellulaires. Pour cela, nous utiliserons comme organisme modèle l'amibe sociale Dictyostelium discoideum dont le cycle de vie comprend une phase végétative en isolation et une phase « sociale » induite par un stress nutritif qui voit la formation d'agrégats multicellulaires par la majeure partie de la population. Les agrégats se développent en « slugs » qui migrent pour ensuite former des carpophores. A l'intérieur du « slug » les cellules se différencient en plusieurs tissus. Seules certaines d'entre elles, les spores, se reproduisent. Les cellules restantes forment un pédoncule qui supporte la masse de spore causant ainsi leur mort tout en permettant la dispersion des spores. Ceci est considéré comme un cas extrême d'altruisme. Nous allons étudier les biais dans le développement et la reproduction au sein de “chimères épigénétiques” constituées de cellules isogéniques mais présentant des hétérogénéités phénotypiques dans la phase du cycle démographique, la motilité ou encore l'adhésion et les comparerons à ceux obtenues mélangeant des chimères constituées de populations génétiquement différentes. Nous quantifierons la répartition différentielle des cellules au cours du processus d'agrégation, dans la détermination des fonctions collectives (phototaxie) et dans la formation des spores grâce à une technique de « live-cell microscopy » qui a déjà été utilisée sur D. discoideum dans notre laboratoire. En parallèle nous développerons des modèles inspirés des observations expérimentales afin d'extrapoler les processus écologiques observés pendant un simple cycle cellulaire sur une échelle de temps évolutive et de se demander dans quelle mesure les hétérogénéités phénotypiques peuvent entraver le succès évolutif des « tricheurs ». Ce projet interdisciplinaire fait appel à la physiologie, la biophysique, le développement et l'évolution à travers le prisme de la biologie quantitative. Il propose une nouvelle approche de l'évolution des comportements collectifs qui relativise la conception classique prônant la prédominance du rôle des déterminants génétiques dans la mise en place de la fonction collective.

  • Titre traduit

    The eco-evolutionary dynamics of aggregative multicellularity: from phenotypic heterogeneity to divison of labor in Dictyostelium discoideum


  • Résumé

    Aggregative multicellularity, where differentiated multicellular organisms assemble from sparse and possibly genetically disparate cells, is an evolutionary conundrum. Due to the similarity with the paradox of cooperation, sociobiology has been invoked to understand how multicellular or 'social' organization has emerged in microbes. In this framework, however, evolutionary explanations largely rely on genetic homogeneity within multicellular groups, which is generally hampered when groups form by aggregation. Whereas evolutionary biologists tend to consider that the genetic background primes in determining the role of cells within aggregates, stochasticity in phenotype determination has also been invoked as a mechanism opposing the loss of cooperation. Indeed, cheaters' success would be undermined if the cell fate is determined, rather than by the genetic background, by a 'lottery' run at the onset of aggregation. We propose to explore the possible route by which evolution could turn pristine phenotypic plasticity into evolutionarily stable collective division of labor, which is a central feature of cooperation in facultatively multicellular microbes. To this avail, we will use as model organism the 'social amoeba' Dictyostelium discoideum, whose life cycle comprises a vegetative phase, where cells grow in isolation, and a collective 'social' phase induced by starvation, where most cells enter multicellular aggregates. Within these aggregates, cells differentiate into several tissues, but only a subset of cells – the spores – reproduces. The rest forms a stalk that supports the spore mass and dies in the process, thus promoting spore dispersal. in what is considered the most extreme degree of altruistic behavior. We will study developmental and reproductive biases in 'epigenetic chimeras' composed of isogenic, but phenotypically heterogeneous, cells (different in nutritional state, motility or adhesion), and compare them to chimeras obtained mixing different strains. We will make use of a live-cell microscopy technique already applied to D. discoideum in the EEM team to quantify the differential repartition of cells during the process of aggregation and spore formation, and its effects on collective function (phototaxis). In parallel, we will develop mathematical models inspired by our experimental observations. Individual cells will be represented as particles with a binary phenotype, with transition probabilities that are either dependent of the social context (reflecting cell interactions within slugs), or by the culture condition preceding aggregation, or both. These models will allow us to extrapolate the 'ecological' processes observed within a single cell cycle to the evolutionary time scale, and ask to what extent phenotypic heterogeneity can curtail the evolutionary success of cheaters. The proposed project proposes a novel stance on the evolution of collective behavior, challenging the classical conception of collective function as being primarily shaped, during the evolutionary process, by genetic determinants. The interdisciplinary nature of the project integrates physiology, biophysics, development and evolution through a quantitative biology approach. It will be essentially supported by a multi-disciplinary advisory team including both experimentalists and theoreticians.