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Le défi de la reconstruction automatisée et quantitative de l'embryogenèse du poisson zébré relevé à l'interface entre Biologie du Développement, Optique et Mathématiques appliquées.

On pourrait croire que les trois premières heures du développement embryonnaire du poisson modèle Danio rerio au cours desquelles se joue la multiplication des cellules de l'œuf et leur diversification sont connues, expliquées et comprises. Cette période de l'embryogenèse, comme beaucoup d'autres, n'a cependant été décrite que verbalement et faute de descriptions formelles et quantitatives, la biologie reste démunie pour mesurer les différences entre individus et ne sait pas calculer un modèle prototypique qui représenterait une population d'individus.

Visualiser, quantifier et formaliser les comportements cellulaires dans un embryon de vertébré est un défi qui ne peut être abordé qu'en conjuguant les efforts à l'interface entre différentes disciplines. Des travaux publiés dans la revue Science du 20 août 2010 abordent cette problématique typique de la science des Systèmes Complexes. L'équipe de Nadine Peyriéras (Embryologie, CNRS UPR3294/Gif-sur-Yvette/Institut de Neurobiologie Alfred Fessard et Institut des Systèmes Complexes de Paris Ile de France) s'est associée à celle d'Emmanuel Beaurepaire (Optique, CNRS UMR 7645/Inserm U696/Ecole Polytechnique/Laboratoire d'optique et biosciences) qui propose une nouvelle stratégie d'imagerie permettant d'observer et de reconstruire in toto les étapes précoces du développement de l'embryon de poisson, sans avoir recours à un marquage fluorescent.

L'observation repose sur la microscopie non linéaire (ou multiphotonique) à balayage, une approche détectant les signaux non linéaires produits par un faisceau infrarouge à impulsions, au voisinage de son point de focalisation dans le tissu. Deux innovations ont permis d'observer les embryons complets, sans perturbation ni marquage. La première a consisté à implémenter un mode de balayage adapté à la topographie sphérique de l'embryon. En enregistrant les images selon une trajectoire circulaire de vitesse variable, il a été possible d'obtenir un signal homogène dans tout l'embryon. La deuxième innovation a consisté à détecter les minuscules réponses non linéaires endogènes des cellules embryonnaires.

En effet, la microscopie par génération de second et troisième harmoniques (SHG-THG), approche récemment développée à l'Ecole Polytechnique, permet une description morphologique du tissu et des cellules qui le constituent. Les fuseaux mitotiques, structures organisées séparant les lots de chromosomes au cours de la mitose, génèrent un signal de second harmonique transitoire fournissant un repère temporel précis pour le cycle cellulaire. Simultanément, l'imagerie par génération de troisième harmonique (THG) détecte les variations spatiales de propriétés optiques et permet de visualiser avec un excellent contraste la membrane cellulaire et l'enveloppe nucléaire dans les cellules de l'embryon précoce de poisson zébré.
La qualité des données brutes ainsi obtenues a permis à l'équipe d'Andres Santos (Mathématiques appliquées, Univ. Politecnica Madrid/E.T.S.I. Telecomunicacion) de mesurer positions, formes, volumes et contacts cellulaires et de reconstruire avec une précision jamais atteinte jusque-là le lignage cellulaire de 6 embryons depuis leur première cellule jusqu'à 1000 cellules, soit le résultat de 10 divisions cellulaires consécutives. Ces données uniques ont ensuite été analysées avec les stratégies algorithmiques développées par l'équipe de Paul Bourgine (Modélisation des Systèmes Complexes, CNRS-Ecole Polytechnique/Centre de Recherche en Epistémologie Appliquée). Les résultats de cette collaboration franco-espagnole consistent en une description phénoménologique quantitative précise qui doit servir de référence dans le domaine et indique un seul régime dynamique de régulation de la prolifération cellulaire dans tout l'embryon ou l'asynchronie et l'asymétrie sont la règle. La diversification des cellules se produit au fil des fluctuations qui d'une division à l'autre touchent la longueur des cycles cellulaires ainsi que le volume des cellules. S'ajoute une règle d'allongement du cycle cellulaire en fonction de la position de la cellule dans l'embryon par rapport à un point qui peut être calculé, produisant un pattern de pseudo vagues de divisions.

Ces phénomènes expliquent en partie l'origine de l'hétérogénéité cellulaire à trois heures de développement, au moment où le génome du zygote entre en action. Cette hétérogénéité est le fondement du développement de l'embryon. Enfin, la comparaison de 6 embryons différents permet de calculer un modèle prototypique qui devrait remplacer les représentations que contenaient jusque-là les livres d'embryologie.

Mesurer et quantifier les phénomènes au moyen de stratégies automatisées d'analyse de données acquises in vivo ouvre la voie à une biologie quantitative, intégrative et prédictive qui est le fondement d'une médecine personnalisée. Rendre mesurables les comportements cellulaires nous permet d'envisager de tester précisément les effets biologiques de nouveaux médicaments à toutes les échelles au sein de l'organisme entier. Il s'agit d'un changement de paradigme qui va bouleverser notre compréhension des processus biologiques et nos pratiques expérimentales et médicales.
 

Reference

Cell lineage reconstruction of early zebrafish embryos using label-free nonlinear microscopy

N. Olivier, M. Luengo-Oroz, L. Duloquin, E. Faure, T. Savy, I. Veilleux, X. Solinas, D. Débarre, P. Bourgine, A. Santos, N. Peyriéras, & E. Beaurepaire

Science, 20 August 2010, Vol. 329. no. 5994, pp. 967 - 971

Lien article: http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/329/5994/967
 

Contacts

Emmanuel Beaurepaire emmanuel.beaurepaire at polytechnique.edu
CNRS UMR 7645, INSERM U696, Ecole Polytechnique, Palaiseau.
Paul Bourgine paul.bourgine at polytechnique.edu
CNRS UMR7656, Ecole Polytechnique, Palaiseau
Andres Santos andres at die.upm.es
Univ. Politecnica Madrid, E.T.S.I. Telecomunicacion
Nadine Peyriéras nadine.peyrieras at inaf.cnrs-gif.fr
CNRS-N&D UPR3294, Gif sur Yvette
 

Illustrations (Science droits réservés)

Embryon de poisson zébré après 4 heures de développement observé simultanément en microscopie par génération de second harmonique (SHG, panneau du haut, en vert) et en microscopie par génération de troisième harmonique (THG, panneau du bas, en bleu). L'image SHG révèle les fuseaux mitotiques et donc les cellules en division. L'image THG révèle la morphologie du tissu cellulaire et du vitellus. Données brutes, barre d'échelle : 100 µm.

Reconstruction du lignage cellulaire et déploiement spatio-temporel 2D et 3D des 10 premiers cycles de division d'un embryon de poisson zébré. Chaque cellule au stade 8-cellules est marquée par une couleur afin de repérer sa descendance dans cet embryon digital.