Plasticité épigénétique et polarité de l’embryon

Nathalie Dostatni

Nathalie Dostatni Chef d'équipe Tél :

L’équipe s’intéresse au contrôle de l’expression des gènes au cours du développement et au rôle de la structure de la chromatine dans la robustesse de ces processus, en utilisant la mouche drosophile comme système modèle. Récemment, en collaboration avec des biophysiciens, nous avons développé des approches d’imagerie à différentes échelles, sur des embryons fixés ou vivants, afin d’aborder ces questions de manière quantitative. Nos travaux récents se sont concentrés sur la dynamique d’assemblage de la chromatine, au cours du développement et du cycle cellulaire et sur l’analyse du gradient morphogénétique Bicoid.

Dynamique de la chromatine au cours du développement

Afin de mieux comprendre le maintien de la structure de la chromatine au cours des divisions cellulaires, nous intéressons à CAF-1, un complexe impliqué dans l’assemblage des nucléosomes sur l’ADN nouvellement répliqué ou réparé, qui contribue, par ailleurs, à la formation et/ou au maintien de l’éhtérochromatine.

Nous avons obtenu un mutant dans le gène codant la grande sous unité de CAF-1 qui nous permet d’étudier sa fonction dans des cellules particulières de l’organisme pour lesquelles il n’existe pas de systèmes de cultures en laboratoire. Il s’agit : i) des cellules endocyclantes larvaires, qui répliquent leur génome en absence de mitose et qui sont dénuées de plusieurs points de contrôle de réplication et de réparation des dommages à l’ADN [1], ii) des cellules méiotiques, qui se divisent en gamètes haploïdes selon un processus spécifique et iii) plus récemment, les cellules souches, qui se divisent asymétriquement. Nous combinons génétique et cytologie (Fig 1) pour comprendre le rôle de CAF-1 dans ces cellules.

Figure 1: DNA FISH pour les régions répétées péricentriques du chromosome X (rose) dans la chambre ovarienne. Des femelles n’exprimant qu’une seule dose de la grande sous-unité de CAF-1 produisent des ovocytes présentant une large proportion de mauvais alignements de ces régions. ADN (bleu).
Figure 1: DNA FISH pour les régions répétées péricentriques du chromosome X (rose) dans la chambre ovarienne. Des femelles n’exprimant qu’une seule dose de la grande sous-unité de CAF-1 produisent des ovocytes présentant une large proportion de mauvais alignements de ces régions. ADN (bleu).

Le morphogène Bicoid assure la formation de l’axe antéro-postérieur de l’embryon. Distribué selon un gradient de concentration, ce facteur de transcription active l’expression de nombreux gènes cible à des seuils de concentration spécifiques [2]. Nos travaux récents suggèrent que des mécanismes épigénétiques permettrait à ce système de fournir rapidement une réponse transcriptionnelle robuste en discriminant des différences subtiles de concentration du morphogène. En utilisant la technique de RNA-FISH, une approche qui détecte directement le processus de transcription où il se produit dans chaque noyau (Fig 2), nous avons montré que la réponse transcriptionnelle à Bicoid est robuste et précise bien plus rapidement qu’anticipé [3]. En collaboration avec des physiciens, nous avons montré que la mobilité de Bicoid détectée par spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) est bien plus élevée qu’observé dans des expériences de photo-blanchiment (FRAP) [4].

Figure 2: A) A un stade précoce (cycle 11), l’embryon est une cellule unique contenant une multitude de noyaux (bleu). L’expression du gène cible de Bicoid, hunchback, est détectée par RNA-FISH (vert). B)  Le traitement des images en 3D fournit une image schématique à l’échelle de l’embryon entier du statut transcriptionnel du gène cible dans chaque noyau de l’embryon selon un code couleur (bas de A). Au cycle 11, une large majorité des noyaux antérieurs exprime les deux allèles du gène. Antérieur à gauche.
Figure 2: A) A un stade précoce (cycle 11), l’embryon est une cellule unique contenant une multitude de noyaux (bleu). L’expression du gène cible de Bicoid, hunchback, est détectée par RNA-FISH (vert). B)  Le traitement des images en 3D fournit une image schématique à l’échelle de l’embryon entier du statut transcriptionnel du gène cible dans chaque noyau de l’embryon selon un code couleur (bas de A). Au cycle 11, une large majorité des noyaux antérieurs exprime les deux allèles du gène. Antérieur à gauche.Rôle de la chromatine dans le maintien de l’expression

La mobilité rapide de Bicoid détectée par FCS réconcilie les limites physiques du système avec l’établissement du gradient par simple diffusion [4] et l’acquisition rapide d’une réponse  robuste [3]. Toutefois, cette mobilité reste trop lente pour expliquer comment le système résiste au challenge imposé par les fréquentes mitoses, au cours desquelles l’expression des gènes est interrompue. Nous avons récemment utilisé avec succès le système MS2-MCP, qui permet de détecter les ARN dans les embryons vivants pour suivre le processus de transcription au cours du développement [5]. Cette approche innovante, qui permet d’atteindre la 4eme dimension et d’appréhender la dynamique du processus dans le temps, devrait permettre de répondre à cette question.

 

Publications clés

Année de publication : 2013

Tanguy Lucas, Teresa Ferraro, Baptiste Roelens, Jose De Las Heras Chanes, Aleksandra M Walczak, Mathieu Coppey, Nathalie Dostatni (2013 Jul 26)

Live imaging of bicoid-dependent transcription in Drosophila embryos.

Current biology : CB : 2135-9 : DOI : 10.1016/j.cub.2013.08.053

Année de publication : 2010

Aude Porcher, Asmahan Abu-Arish, Sébastien Huart, Baptiste Roelens, Cécile Fradin, Nathalie Dostatni (2010 Jul 29)

The time to measure positional information: maternal hunchback is required for the synchrony of the Bicoid transcriptional response at the onset of zygotic transcription.

Development (Cambridge, England) : 2795-804 : DOI : 10.1242/dev.051300
Aude Porcher, Nathalie Dostatni (2010 Mar 12)

The bicoid morphogen system.

Current biology : CB : R249-54 : DOI : 10.1016/j.cub.2010.01.026
Asmahan Abu-Arish, Aude Porcher, Anna Czerwonka, Nathalie Dostatni, Cécile Fradin (2010 Mar 2)

High mobility of bicoid captured by fluorescence correlation spectroscopy: implication for the rapid establishment of its gradient.

Biophysical journal : L33-5 : DOI : 10.1016/j.bpj.2010.05.031

Année de publication : 2009

Benjamin Klapholz, Bruce H Dietrich, Catherine Schaffner, Fabiana Hérédia, Jean-Pierre Quivy, Geneviève Almouzni, Nathalie Dostatni (2009 May 1)

CAF-1 is required for efficient replication of euchromatic DNA in Drosophila larval endocycling cells.

Chromosoma : 235-48 : DOI : 10.1007/s00412-008-0192-2
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