Projet ANR-10-BLAN-1218 – DEV-PROCESS : L'architecture de l'élongation, un processus élémentaire du développement
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Biologie cellulaire, développement (Blanc SVSE 2)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-François NICOLAS (INSTITUT PASTEUR)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique; Institut Pasteur
Montant : 405704.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Comment le développement de l’embryon organise le génome et comment l’organisation du génome facilite l’évolution du développement.Il s’agit de déterminer les opérations cellulaires élémentaires qui ensemble constituent un processus du développement, lesquelles de ces opérations ont les propriétés de modules génétiques et si certaines associations de modules sont co-contrôlées par les mêmes gènes.
L’enjeu est de fournir un exemple d’une analyse qui à plus long terme révélera l’organisation des génomes au travers de leur fonctionnement durant le développement.Le projet part de la constatation banale selon laquelle les génomes ne sont pas de simples amalgames de gènes et de séquences intergéniques mais des éléments de systèmes. Les autres éléments de ces systèmes sont les produits des gènes et des facteurs externes. Cette constatation a été faite pour la première fois il y a plus de cinquante ans chez les bactéries. Il nous semble que le Développement, qui concerne la plupart des êtres pluricellulaires, est totalement réductible à cette équation. C’est la démonstration de cette hypothèse qui constitue l’enjeu majeur du programme. Cependant avec le Développement les systèmes sont extraordinairement dynamiques et les facteurs externes sont ceux des êtres pluricellulaires. Il s’ensuit que pour une cellule donnée ils incluent les cellules voisines et l’espace intercellulaire. De plus, ces systèmes contrôlent des gènes qui ensemble confèrent à la cellule des propriétés particulières (motilité, forme, asymétrie etc   ). Ce sont ces différents niveaux d’intégration et d’interaction des éléments dans ces systèmes qu’il s’agit maintenant de découvrir.
L’analyse clonale par RCA, GICL et imagerie 4D pour révéler les comportements des cellules et leur lignage.C’est la connaissance des comportements des cellules qui permet de déterminer quelles opérations cellulaires sont impliquées dans un processus donné du développement. L’analyse clonale par RCA permet de reconstituer beaucoup des étapes de la morphogenèse d’une structure puisque les clones sont issus de marquages aléatoires par rapport aux quatre dimensions (spatiales et temporelle). L’analyse clonale par GICL permet de zoomer sur une étape particulière en générant à volonté des clones dont la date de naissance est connue. Lorsqu’elle est ubiquiste, la GICL produit des marquages aléatoires par rapport aux trois dimensions spatiales. Ces deux approches sont complémentaires et permettent de déterminer où et quand des analyses encore plus précises, par imagerie 4D, doivent être entreprises. Ces dernières exploitent les possibilités de la microscopie confocale et permettent d'appréhender en direct les comportements dynamiques des cellules (migration, mitoses, changement de forme et taille). C’est de cet ensemble que les opérations cellulaires mises en jeu peuvent être identifiées. L’analyse comparative d’un même processus pour diverses structures de la même espèce ou d’espèces éloignées, permet de déterminer la variété des combinaisons d’opérations cellulaires d’un processus donné du développement. L’analyse comparative permet de déterminer la variété des combinaisons d’opérations cellulaires d’un processus donné du développement chez différents modèles animaux choisis pour leur position évolutive. En effet, l'amphioxus, le poisson zébré puis la souris sont situés à des positions clé de l’évolution.
Résumé de la soumission : Le projet vise à définir au niveau cellulaire l’architecture d’un des processus majeur du développement, l’élongation. Nous en caractériserons les éléments basiques et tenterons de définir leurs arrangements en modules. La méthodologie consiste à comparer l’élongation de l’embryon de plusieurs espèces (le coté phylogénétique), mais aussi de différentes structures dans une même espèce (le coté ontogénétique). Ces comparaisons d’un même processus pourraient révéler des principes d’organisations partagés par les autres processus du développement impliqués dans la formation du plan d’organisation et des structures spécifiques du corps. Elles pourraient permettre de comprendre leur couplage avec le patterning génétique (l’assignation aux cellules d’état de régulation). L’élongation de l’embryon de trois chordés : la souris, le poisson zébré et l’amphioxus et l’élongation d’une structure formée durant l’organogenèse, le follicule pileux (FP) seront étudiées. De notre compréhension actuelle du processus de l’élongation, il ressort que celui-ci dépend d’une combinaison d’opérations cellulaires basiques. La spécificité du processus dans les contextes différents semble dépendre du nombre et de l’arrangement de ces opérations comme le suggère la comparaison de structures de complexités croissantes (le tubule rénal, le FP, l’axe). Pour ce qui concerne l’embryon, de nombreuses opérations sont impliquées dans les différents tissus et celles-ci doivent être coordonnées à l’intérieur et entre tissus. Le projet propose l’analyse clonale et l’imagerie 4D systématique  et à grande échelle pour définir les séries d’opérations impliquées dans l’élongation de l’embryon de trois chordés et du FP. Ces comparaisons phylogénétique et ontogénétique permettront de définir les comportements cellulaires basiques et leurs arrangements du processus de l’élongation. Le projet est basé sur deux présupposés : 1) le développement d’une espèce est une variation de celui d’une espèce plus basique. En conséquence, une contrainte majeure dans l’organisation des processus du développement est leur structure précédente, 2) les variations du développement concernent principalement des relations des cellules ou des groupes de cellules entre elles dans le temps et dans l’espace. Cette hypothèse est appuyée par le rôle majeur des signalisations intercellulaires dans le développement comme l’indique l’analyse génétique. En conséquence, pour comprendre un processus du développement, il est nécessaire de l’étudier dans différentes espèces choisies sur leurs positions phylogénétiques, mais aussi dans différentes structures d’une même espèce. L’étude de la dynamique et du comportement cellulaire (mode de croissance, réarrangements cellulaires, forme et taille des territoires embryonnaires) est essentielle, ces facteurs ayant des répercutions directes sur les relations entre cellules et territoires. Ces considérations ont guidé la stratégie de cette application : 1) l’étude de : la souris, notre but étant de comprendre un développement proche de celui des humains ; l’amphioxus, un céphalochordé, encore proche du groupe ancestral du phylum des chordés et le poisson zébré un intermédiaire, 2) l’étude d’une structure formée pendant l’organogenèse, le FP, ouvrant ainsi la voie à l’analyse ontogénétique comparative.Notre but est de définir les éléments basiques impliqués dans le processus de l’élongation et de trouver comment ils sont agencés pour former une opération intégrée. L’élongation est utilisée par l’embryon des trois espèces pour allonger leurs corps et par le FP durant sa phase de croissance mais avec des modalités différentes. Ce sont ces différences qui permettront de définir les éléments basiques. Notre approche a des similitudes avec l’analyse des interactions dans et entre les réseaux transcriptionnels qui permet de définir les motifs de réseaux auxquels on peut associer des fonctions élémentaires.
Résultats : Depuis le début du projet, nous avons livré deux articles, un article scientifique: « Redefining the structure of the hair follicle by 3D Clonal analysis », Sequeira, I and Nicolas, J.F, Development. 2012, sous presse, et un article de revue : « Hair Follicle Stem Cells », Legué E., Sequeira I., and Nicolas J.-F., in « Stem cells and cancer stem cells », Hayat, M.A. ed. 2012. Volume 3: 35-47. Dans l’article scientifique, nous redéfinissons la structure du follicule pileux de la souris par l’analyse clonale. Nous avons découvert un nouveau lignage dont le rôle doit maintenant être précisé. Nous avons clarifié l’origine d’un des constituants de la couche externe et nous avons élucidé les modes de croissance des structures du FP durant l’anagène. Une troisième publication est en cours de finalisation. Elle concernera la mise au point d’un système GICL ubiquiste dans l’embryon de la souris, sans marquage spontané jusqu’au moins E14.5.
Chez le poisson zébré et l'amphioxus, nous avons mis au point de nouvelles stratégies qui permettent d'ouvrir la voie à l'investigation des comportements cellulaires dans l'embryon. La démonstration de la faisabilité de la GICL chez le poisson zébré permet la description exhaustive des lignages et des modes de croissance des cellules chez le poisson. Nos résultats préliminaires issus de l'imagerie 4D chez l'amphioxus suggèrent que l'élongation pourrait se résumer à une composante, l'orientation des mitoses, ce qui est différent de l'élongation composite chez les vertébrés.
Perspectives : L’idée centrale de ce projet à savoir que les processus du développement organisent les génomes et qu’en retour cette organisation accélère l’évolution des développements a de multiples implications. Elle amène naturellement à la notion d’organisation des molécules du vivant (ADN intergénique, gènes et leurs produits) en systèmes dynamiques. Il s’en suit une vision nouvelle des phénomènes du vivant qui s’éloigne de la vision purement moléculaire, encore très prédominante dans le public (un gène, un processus ; un gène, une maladie etc). En effet, l’organisation en systèmes dont les éléments interagissent, nous fait mesurer le degré d’imbrication des éléments de tout processus biologique normal ou pathologique. Comme ces processus se placent dans le cadre du système que constitue le génome, ses produits et les éléments extérieurs, la connaissance de son organisation est primordiale. Le fait que l’étude très fouillée du développement est absolument requise pour dévoiler cette organisation des génomes n’est peut-être pas encore naturel pour tous. Nos résultats apporteront des éléments précis sur ce point et participeront donc à ce changement capital de perspective.
Publications et brevets : Redefining the structure of the hair follicle by 3D Clonal analysis », Sequeira, I and Nicolas, J.F, Development, 2012, sous presse. 
 Hair Follicle Stem Cells », Legué E., Sequeira I., and Nicolas J.-F., Stem cells and cancer stem cells, Hayat, M.A. ed. 2012. Volume 3: 35-47.
Rubio-Guivernau JL, Gurchenkov V, Luengo-Oroz MA, Duloquin L, Bourgine P, Santos A, Peyrieras N, Ledesma-Carbayo MJ. Wavelet-based image fusion in multi-view three-dimensional microscopy. Bioinformatics. 2012 Jan 15;28(2):238-45. Epub 2011 Nov 9.