Durant ma thèse je me suis intéressé à trois sujets différents connectés par la méchanotransduction au cours du développement. Mon intérêt principal étant porté sur les impacts évolutifs apportés par la méchanotransduction. Mais qu’est-ce que la méchanotransduction ? C’est la conversion d’un stimulus mécanique en une activité biochimique. Ces mécanismes sont présents dans bien des domaines : motilité des cellules, différentiation cellulaire, création de structures. Durant ma thèse je me suis principalement intéressé aux mécanismes de méchanotransduction liés à l’invagination du mésoderme chez la drosophile. Ce mouvement est l’un des tous premiers mouvements morphogénétique et fait partie d’une étape clé du développement qu’est la gastrulation mécanisme commun à toutes les espèces animales. Dans un premier temps je me suis focalisé cette invagination du mésoderme chez la Drosophile. Cette invagination est générée par des accumulations apicales de myosine qui vont entrainer une constriction apicale des cellules. Mon premier travail a été de comprendre et de modéliser ce mouvement en me basant sur le travail effectué dans le laboratoire. En effet il a été prouvé que les contraintes mécaniques entrainent directement l’invagination du mésoderme : par une indentation sur le mésoderme d’embryons incapables de réaliser une invagination on arrive à restaurer cette dernière. La modélisation que j’ai réalisée permet de montrer la plausibilité de réaliser un couplage bio-mécanique afin d’expliquer la formation de cette invagination. Le modèle est composé d’une chaine de cellules couplées mécaniquement entre elles par des jonctions adhérentes. Les cellules sont excitées individuellement par une force sinusoïdale leur taille va donc être modifiée. Grace au couplage certains comportements collectifs vont apparaitre. Pour les cellules associées à certaines conditions génétiques une fois que la taille seuil sera dépassée, la cellule va générer une force de constriction. Comme la cellule se constricte elle va déformer les cellules voisines qui seront plus à même de franchir la taille pallier. Une invagination globale va s’en suivre. Ce modèle reproduit quantitativement la dynamique de constriction des apex et permet de vérifier la possibilité d’obtenir une invagination à partir d’interactions mécaniques entre les cellules. Il permet met aussi en évidence l’importance de l’étude des comportements collectifs qui permettent par différents couplages. Dans une seconde partie j’ai effectué le parallèle entre l’invagination du mésoderme de la drosophile et l’initiation de l’épibolie du poisson zèbre en se focalisant sur le rôle de contraintes mécaniques développées par ces premiers mouvements morpho-génétiques. Ces premiers mouvements vont déterminer la création des différents feuillets et notamment la différentiation des cellules du mésoderme. Ces deux espèces montrent des mécanismes de méchanotransduction communs avec la phosphorylation de la beta-catenin (b-cat) Y667. Cette phosphorylation entraine l’expression de gènes twist (Drosophile) et notail (Danio rerio) nécessaire aux mouvements morphogénétiques. Les expériences réalisées consistent à bloquer les mouvements par l’intermédiaire de drogues (pour le poisson zèbre) ou de mutations (pour la Drosophile) et exercer une déformation mécanique sur les embryons. En l’absence de contraintes mécaniques la betacatenin n’est plus phosphorylée, de ce fait on elle n’est plus présente dans les noyaux ce qui entraine une perte d’expression des gènes twi ou notail. Avec une déformation mécanique alors que les mouvements sont bloqués nous arrivons à réactiver la phosphorylation de la βcat et ré induire l’expression des gènes. Ma contribution majeure pour ces expériences a été la mise en place d’un système magnétique permettant de mimer les mouvements de l’épibolie. (...) / In this thesis, I first focused on the testing of the hypothesis of the mechanotransductive activation of the apical accumulation of Myosin-II (Myo-II) that leads to Drosophila embryos mesoderm invagination, in response to the active cell apex pulsations preceding gastrulation in the mesoderm. This hypothesis was proposed on the basis of previous experiments realized in my host lab, having consisted in the rescue of mesoderm invagination in pulsation and invagination defective mutants, in response to a simple mechanical indent of the mesoderm. Here I demonstrated quantitatively the plausibility of such mechanical trigger of the active apical accumulation of Myo-II leading to subsequent mesoderm invagination, in response to the mechanical strains developed by the endogenous pulsative movements of mesoderm cell apexes, in silico. In a second part, I tested experimentally the role of the mechanical strains developed by the very first morphogenetic movements of zebrafish (Danio rerio) and Drosophila embryos, in the early specification of mesoderm cells identity. Specifically, to test this hypothesis, I developed magnetic biophysical tools to mimic the epiboly morphogenetic movements in epiboly defective zebrafish embryos. We found the beta-catenin (B-cat) Y667 phosphorylation as the common mechano-transductive pathway involved in earliest mesoderm genes expression notail and twist respectively, in response to the very first morphogenetic movements of embryogenesis in both species, epiboly and mesoderm invagination, respectively. This allowed to suggest such mechanotransduction pathway as conserved from the last common ancestor of both species, namely the last common ancestor of bilaterians, therefore possibly involved in the origins of mesoderm emergence in the ancestor, which represents a currently important opened question of evo-devo. In a third part, I developed experiments of mechanical indent of Drosophila embryos germ cells, and demonstrated the production of generational heritable developmental defects induced on at least 3 generations. These experiments suggest accidental mechanical perturbation of germ cells as a putative new motor mode of heritable modulations in the genetic developmental program of embryogenesis, with the molecular mechanism underlying such transmission being currently in progress.

How do embryos develop with such poise from a single zygote to multiple cells with different identities, and yet survive? At the four-cell stage of the C. elegans embryo, only the blastomere EMS adopts the endo-mesoderm identity. This fate requires SKN-1, the master regulator of endoderm and mesoderm differentiation. However, in the absence of the RNA binding protein POS-1, EMS fails to fulfill its fate despite the presence of SKN-1. pos-1(-) embryos die gutless. Conversely, the RNA binding protein MEX-5 prevents ectoderm blastomeres from adopting the endo-mesoderm identity by repressing SKN-1. mex-5(-) embryos die with excess muscle at the expense of skin and neurons. Through forward and reverse genetics, I found that genes gld-3/Bicaudal C, cytoplasmic adenylase gld-2, cye-1/Cyclin E, glp-1/Notch and the novel gene neg-1 are suppressors that restore gut development despite the absence of pos-1. Both POS-1 and MEX-5 bind the 3’UTR of neg-1 mRNA and its poly(A) tail requires GLD-3/2 for elongation. Moreover, neg-1 requires MEX-5 for its expression in anterior ectoderm blastomeres and is repressed in EMS by POS-1. Most neg-1(-) embryos die with defects in anterior ectoderm development where the mesoderm transcription factor pha-4 becomes ectopically expressed. This lethality is reduced by the concomitant loss of med- 1, a key mesoderm-promoting transcription factor. Thus the endo-mesoderm identity of EMS is determined by the presence of SKN- 1 and the POS-1 repression of neg-1, whose expression is promoted by MEX-5. Together they promote the anterior ectoderm identity by repressing mesoderm differentiation. Such checks and balances ensure the vital plurality of cellular identity without the lethal tyranny of a single fate.

The association of members of the enterovirus family with pregnancy complications up to miscarriages is under discussion. Here, infection of two different human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines and iPSC-derived primary germ-layer cells with coxsackievirus B3 (CVB3) was characterized as an in vitro cell culture model for very early human development. Transcriptomic analysis of iPSC lines infected with recombinant CVB3 expressing enhanced green fluorescent protein (EGFP) revealed a reduction in the expression of pluripotency genes besides an enhancement of genes involved in RNA metabolism. The initial distribution of CVB3-EGFP-positive cells within iPSC colonies correlated with the distribution of its receptor coxsackie- and adenovirus receptor (CAR). Application of anti-CAR blocking antibodies supported the requirement of CAR, but not of the co-receptor decay-accelerating factor (DAF) for infection of iPSC lines. Among iPSC-derived germ-layer cells, mesodermal cells were especially vulnerable to CVB3-EGFP infection. Our data implicate further consideration of members of the enterovirus family in the screening program of human pregnancies. Furthermore, iPSCs with their differentiation capacity into cell populations of relevant viral target organs could offer a reliable screening approach for therapeutic intervention and for assessment of organ-specific enterovirus virulence.

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Au cours de gastrulation chez la Drosophile, deux vagues successives de constriction ont lieux au niveau des cellules ventrales menant à l'invagination du mésoderme. La première vague de constriction est stochastique et entraine la constriction de 40% des cellules mesodermales réparties aléatoirement et est contrôlée par le facteur de transcription Snail. La seconde vague de constriction arrive immédiatement après et implique également la constriction des 60% manquant de cellules mésodermales. Cette seconde vague est contrôlée par le facteur de transcription Twist et requière la présence de la protéine sécrétée Fog. L'invagination complète du mésoderme riquière la redistribution de la protéine moteur Myosine II au niveau de l'apex des cellules en cours de constriction. Il a été montré que la mutation de Snail mène à une perte des deux phases de constriction, mais qu'une indentation sur les cellules du mésoderme permet de rétablir la seconde phase de constriction Twist dépendante. Nous avons cherché à étudier les interaction entre les deux phases de constriction, la protéine sécrétée Fog et le moteur moléculaire Myosine II à l'aide d'une simulation numérique. Nous avons également chercher à étudier la corélation entre l'invagination globale du mésoderme et la phosphorylation de la Bêta-Cathenine qui est impliquée dans l'activation de Twist. Nous avons étudier l'invagination de l'endoderme postérieur qui présente de nombreuses similitude avec l'invagination de l'endoderme et leurs interactions. Enfin également à l'aide d'une simulation numérique, nous avons testé l'hypothèse de l'apparition d'une invagination dans un organisme primitif mécano-sensible ( la gastræ d'HAECKEL ) au contact avec le plancher océanique. / During Drosophila gastrulation, two waves of constriction occur in the apical ventral cells, leading to mesoderm invagination. The first constriction wave is a stochastic process mediated by the constriction of 40% of randomly positioned mesodermal cells and is controlled by the transcription factor Snail.The second constriction wave immediately follows and involves the other 60% of the mesodermal cells. The second wave is controlled by the transcription factor Twist and requires the secreted protein Fog. It is known that Snail mutation lead to the loss of the two constriction phases but a mechanical poking on the mesoderm cells can rescue de second phase of Twist dependent constriction. The interactions between the two constriction phases, la secreted protein Fog and the molecular motor Myosin II with a numerical simulation. The posterior endoderm invagination that presents similarities with mesoderm invagination have been study, as well as the interaction between them. Finally with an other numerical simulation, the hypothesis of an induced invagination on a primitive mechanosensible organism ( the HAECKEL grastrae ) on the contact with the oceanic floor has been tested.