Quantitative analysis of animal morphogenesis : from high-throughput laser imaging to 4D virtual embryo in ascidians

Les embryons d'ascidies se développent avec un lignage cellulaire stéréotypé et évolutionairement conservé pour produire en quelques heures ou jours un têtard comportant un petit nombre de cellules. De ce fait, ils fournissent un cadre intéressant pour décrire avec une résolution cellulaire le programme de développement d’un organisme complet. Pendant mon doctorat, j’ai développé une approche quantitative pour décrire l’évolution morphologique embryonnaire pendant le développement de Phallusia mammillata. J’ai ensuite utilisé cette approche pour systématiquement caractériser en détail les logiques des événements de spécifications de destin cellulaire.Pour caractériser quantitativement les comportements cellulaires pendant l’embryogenèse, nous avons utilisé de la microscopie à feuille de lumière multi-angles pour imager des embryons entiers à haute résolution spatio-temporelle. Les membranes plasmiques étaient marquées pour permettre l’identification des cellules. Pour extraire les informations biologiques de ce jeu de donnés, j’ai développé une nouvelle méthode pour segmenter les cellules en 4D, ASTEC. Une fois appliquée aux embryons de Phallusia mammillata imagés pendant 6 heures entre le stade 64 cellules et le début des stades bourgeon caudal, cette méthode a permis de récupérer la forme et de suivre 1030 cellules pendant 640 divisions. L’embryon digital 4D résultant peut être formalisé par un graphe dynamique, dans lequel les cellules sont représentées par des sommets reliés par des arrêtes représentant au sein d’un point de temps leur voisinage spatial, et entre différents points de temps leur lignage cellulaire.Basé sur cette représentation digitale et quantitative, nous avons systématiquement identifié les événements de spécification cellulaire jusqu’au dernier stade de la gastrulation. Des simulations informatiques ont révélé que des règles remarquablement simples intégrant les aires de contacts cellulaires et les expressions spatio-temporelles booléennes de signaux moléculaires extracellulaires sont suffisantes pour expliquer les inductions cellulaires au cours du développement précoce. Ce travail suggère que pour les embryons établissant des contacts stéréotypés et précis entre cellules voisines, les contraintes génomiques sont relâchées, ce qui permet une évolution plus rapide du génome.Ascidian embryos develop with stereotyped and evolutionarily conserved invariant cell lineages to produce in a few hours or days tadpole larvae with a small number of cells. They thus provide an attractive framework to describe with cellular resolution the developmental program of a whole organism. During my PhD, I developed a quantitative approach to describe the evolution of embryonic morphologies during the development of the ascidian Phallusia mammillata. I then used this approach to systematically characterize in detail the logic of cell fate induction events. To quantitatively characterize cell behaviors during embryogenesis, we used multi-angle light-sheet microscopy to image with high spatio-temporal resolution entire live embryos with fluorescently labeled plasma membranes. To extract biological information from this imaging dataset, I then developed a conceptually novel automated method for 4D cell segmentation, ASTEC. Applied to a Phallusia mammillata embryo imaged for 6 hours between the 64-cell and the initial tailbud stages, this method allows the accurate tracking and shape analysis of 1030 cells across 640 cell divisions. The resulting 4D digital embryo can be formalized as a dynamic graph, in which cells are represented by nodes, linked within a time point by edges that represent their spatial neighborhood, and between time points by temporal edges describing cell lineages.Based on this quantitative digital representation, we systematically identified cell fate specification events up to the late gastrula stage. Computational simulations revealed that remarkably simple rules integrating measured cell-cell contact areas with boolean spatio-temporal expression data for extracellular signalling molecules are sufficient to explain most early cell inductions. This work suggests that in embryos establishing precise stereotyped contacts between neighboring cells, the genomic constraints for precise gene expression levels are relaxed, thereby allowing rapid genome evolution