Soutenance de thèse de Alexandre CHUYEN

L’un des défis majeurs de la biologie du développement est de comprendre les mécanismes contrôlant la distribution des cellules dans un embryon, notamment pour générer une distribution cellulaire régulière. Si la régulation de la distribution cellulaire par de complexes réseaux de régulation des gènes dictant le destin des cellules à une position donnée est bien caractérisés, comment des patrons globaux peuvent émerger de comportements individuels reste mal compris. Lors du développement de l'épiderme mucociliaire chez l'amphibien Xenopus laevis, les cellules multiciliées (MCCs), s'intercalent radialement de la couche interne où elles naissent, à la couche épithéliale externe. Fait remarquable, ces MCCs s’intercalent, aux jonctions entre au moins trois cellules de la couche externe (vertex), et respectent une règle stricte de non-contiguïté, ce qui se traduit par un patron de distribution semi-régulier. Durant ma thèse, j’ai étudié les mécanismes contrôlant la distribution régulière des MCCs. Avant de s’intercaler, les MCCs sont distribués en amas irréguliers au sein de la couche mésenchymateuse interne et se dispersent progressivement. Par modélisation mathématique, nous avons suggéré que l'intégration de la répulsion mutuelle des MCCs et leur affinité avec les jonctions de cellules de la couche externe suffis pour récapituler une distribution régulière La vidéomicroscopie a démontré que les MCCs se séparent les unes des autres par un mécanisme de type inhibition de contact de la locomotion alimenté par le remodelage de l'actine Arp2/3 dépendant. En parallèle, les MCC se déplace en remodelant le cytosquelette d'actine pour suivre les jonctions extracellulaires. Des approches fonctionnelles multiples, ont démontré que la voie de signalisation dépendant du récepteur de la tyrosine kinase KIT et de son ligand associé Scf sont tous deux nécessaires à la bonne distribution spatiale des MCCs. Scf est exprimé par les cellules épithéliales de la couche externe, tandis que KIT n’est exprimé que par les MCCs. Altérer la voie Scf/Kit entraîne de graves anomalies de distribution des MCCs, causé par la perte de répulsion mutuelle, d'une réorganisation de l'actine altérée et d'une affinité réduite pour les jonctions extracellulaires. Alors que Scf se comporte comme un puissant signal adhésif pour les MCCs, l'expression de Kit est suffisante pour conférer de l'ordre à une population de cellules hétérologues désordonnées. Nos travaux révèlent comment un seul système de signalisation peut mettre en œuvre une structuration auto-organisée à grande échelle.

One of the major aims of developmental biologists is at understanding the mechanisms controlling the distribution of cells in an embryo, in particular to generate a regular cell distribution pattern. While the regulation of cell distribution by complex genes regulatory networks dictating the fate of cells at a given position is well characterized, how global patterns can emerge from individual behaviors remains poorly understood. During the development of the mucociliary epidermis in the amphibian Xenopus laevis, multiciliated cells (MCCs), intercalate radially from the inner layer where they are born, to the outer epithelial layer. Remarkably, these MCCs intercalate at the junctions between at least three cells of the outer layer (vertex) and follow a strict rule of non-contiguity, resulting in a semi-regular distribution pattern. During my thesis, I studied the mechanisms that control the regular distribution of MCCs. Before intercalation, MCCs are distributed in irregular clusters within the internal mesenchymal layer and progressively disperse. By mathematical modeling, we suggested that the integration of the mutual repulsion of MCCs and their affinity with the cell junctions of the outer layer is sufficient to summarize a regular distribution. Live-imaging shows that MCCs separate from each other through contact-inhibition-like mechanism powered by Arp2/3-mediated actin remodelling. Concomitantly, MCCs follows the extracellular junctions and stabilize beneath vertices by remodelling actin cytoskeleton. Using multiple functional approaches, we show that the signalling pathway dependent on the tyrosine kinase receptor c-KIT and its cognate ligand Scf are both required for the proper spatial distribution of MCCs. Scf is expressed by the outer layer epithelial cells, while the expression of c-KIT is restricted to MCCs. The disruption of the Scf/c-KIT pathway results in severe abnormalities in the distribution of MCCs, which stem from loss of mutual repulsion, impaired actin reorganization and reduced affinity for vertices. While Scf behaves as a potent adhesive cue for MCCs, Kit expression is sufficient to confer order to a disordered heterologous cell population. Our work reveals how a single signalling system can implement self-organized large-scale patterning.