Précision du gradient morphogénétique Bicoid dans l'embryon précoce de drosophile

Precision of the Bicoid morphogenetic gradient in the early Drosophila embryo

• Auteur / Autrice : Aude Porcher
• Direction : Nathalie Dostatni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcription génétique

Protéines à homéodomaine

Régulation de l'expression des gènes au cours du développement

Protéines de Drosophila

embryologie

Drosophila melanogaster

Résumé

S'il est établi que le développement des polarités axiales implique des gradients morphogénétiques capables d'induire différents destins cellulaires à différentes concentrations, le degré de précision des cascades d'expression génique qui agissent en aval fait l'objet de nombreux débats. De récentes études ont montré que le gradient de Bicoid est précisément établi à la neuvième division nucléaire de l'embryon de drosophile et que l'expression de ses protéines cibles est spécifiée cinq divisions plus tard avec une précision correspondant à une différence relative de concentration de Bicoid de 10%. Pour comprendre l'origine de cette précision, l'expression du gène cible hunchback a été analysée en révélant ses ARN naissants à leurs sites de synthèse. Ces données montrent que la transcription 6'hunchback est très dynamique : elle est robuste et précise dès la onzième interphase mais interrompue pendant les mitoses. L'analyse d'embryons mutants montre que la protéine Hunchback maternelle fournit une information temporelle à la robustesse de cette réponse tandis que Bicoid fournit une information spatiale à la précision de l'expression du gène le long de l'axe. En utilisant la FCS, nous montrons que la mobilité de Bicoid dans le cytoplasme est suffisamment élevée pour permettre la stabilisation rapide du gradient par simple diffusion. Dans les noyaux, cette mobilité reste trop faible pour expliquer la transcription précise et robuste d'hunchback par mesure directe de la concentration de Bicoid pendant l'interphase. Ces travaux nous conduisent à proposer l'existence d'un processus de mémorisation de l'état transcriptionnel de chaque locus au cours des divisions nucléaires.

It is widely accepted that morphogenetic gradients determine cell identity by activating target genes in concentration-dependent manner. How precise is each step in the gene expression process acting downstream of morphogens, however, remains unclear. Recent studies indicate that the Bicoid gradient is rapidly established in cycle-9 Drosophila embryos and that expression of its target proteins is specified, five nuclear divisions later, with a précision corresponding to a relative difference of Bicoid concentration of 10%. To understand how precision was achieved, we analyzed nascent transcripts of the hunchback target gene at their site of synthesis. At cycle-11, most anterior nuclei exhibit efficient bi-allelic transcription of hunchback. This robust expression is specified within a 10% difference of Bicoid concentration in interphase but is lost during mitosis. Analysis of mutant embryos shows that the maternal Hunchback contributes to the kinetics of the early response whereas Bicoid provides positional information along the anterp-posterior axis of the embryo. If the fast diffusion of the Bicoid protein in the cytoplasm captured by FCS is compatible with the rapid and precise establishment of the gradient by simple diffusion, it remains too slow to explain a precise de novo reading of Bicoid concentration at each interphase. This work leads us to propose the existence of a memory process of the transcriptional state of each locus during nuclear divisions.