Evolution of somitogenesis in chordates and the appearence of the vertebrate head

Une question centrale dans l'histoire de l'évolution des vertébrés est de comprendre l'origine de leur tête complexe. L'apparition de nouvelles structures de la tête, telles que les cellules de la crête neurale, a déjà été longuement étudiée. Cependant, comment le mésoderme non segmenté de la tête chez les vertébrés a émergé à partir d’un mésoderme entièrement segmenté reste une question non résolue. En raison de leur position phylogénétique, de leurs caractéristiques morphologiques, développementales et génomiques, les céphalochordés (c'est-à-dire les amphioxus) représentent le meilleur proxy existant de l'ancêtre des chordés. De plus, l'amphioxus possède un mésoderme paraxial entièrement segmenté tout le long du corps, caractéristique proposée comme ancestrale. Comparer la somitogenèse entre amphioxus et vertébrés pourrait résoudre la question de savoir comment le mésoderme non segmenté de la tête des vertébrés a évolué. Les travaux réalisés dans notre laboratoire ont montré le rôle central du signal FGF, via la voie MAPK, dans la formation des somites les plus antérieurs chez l'amphioxus. L'inhibition de cette voie de signalisation au cours de la gastrulation induit une perte spécifique de ces structures. Afin de comprendre le destin du mésoderme paraxial antérieur présomptif après inhibition de la signalisation FGF, j’ai analysé l’expression de différents gènes marqueurs, j’ai réalisé un traçage des cellules de ce territoire et, enfin, j’ai mis en œuvre des analyses morphologiques. Nous avons conclu que ce territoire acquiert un destin axial dorsal antérieur au cours de la gastrulation lorsque le signal FGF est inhibé et que les cellules correspondantes intègrent ensuite la notochorde. L'étude morphologique de la notochorde chez ces embryons traités nous permet de proposer une hypothèse quant à l'apparition de la plaque préchordale. Pour la deuxième partie de mon doctorat, des études avaient préalablement montré que la formation des somites antérieurs et postérieurs repose sur la fonction de facteurs de transcription (Six1/2 et Pax3/7) orthologues d’acteurs majeurs de la formation des muscles du tronc chez les vertébrés. De plus, les gènes principalement impliqués dans la formation du mésoderme de la tête et du mésoderme latéral chez les vertébrés sont exprimés dans la partie ventrale des somites d'amphioxus. A partir de ces données, il a été proposé l'hypothèse que le mésoderme de la tête des vertébrés soit homologue à la partie ventrale des somites d’amphioxus. D’une part, j’ai analysé chez l'amphioxus l’expression de gènes connus comme jouant un rôle dans le développement des dérivés du mésoderme latéral chez les vertébrés. D’autre part, j’ai montré que les séquences cis-régulatrices de certains gènes d'amphioxus exprimés dans les somites ventraux dirigent l’expression dans les dérivés du mésoderme de la tête et latéral chez le poisson zèbre, un vertébré. En conclusion, ces résultats permettent d'améliorer la robustesse de notre hypothèse proposant l'homologie entre le mésoderme latéral/de la tête des vertébrés et la partie ventrale des somites d’amphioxus.A central question in the evolutionary history of vertebrates is to understand the origin of their complex head. The emergence of new head structures, such as neural crest cells, has already been extensively studied. However, how the unsegmented mesoderm of the head in vertebrates emerged from a fully segmented mesoderm remains an unresolved question. Because of their phylogenetic position, morphological, developmental, and genomic characteristics, cephalochordates (i.e., amphioxus) represent the best existing proxy for the ancestor of chordates. Furthermore, amphioxus has a fully segmented paraxial mesoderm, a feature proposed as ancestral. Comparing somitogenesis between amphioxus and vertebrates could resolve the question of how the unsegmented mesoderm of the vertebrate head evolved. Work in our laboratory has shown the central role of FGF signaling, via the MAPK pathway, in the formation of the most anterior somites in amphioxus. Inhibition of this signaling pathway during gastrulation induces a specific loss of these structures. In order to understand the fate of the presumptive anterior paraxial mesoderm after inhibition of FGF signaling, I analyzed the expression of different marker genes, performed cell tracing of this territory, and finally implemented morphological analyses. We concluded that this territory acquires an anterior dorsal axial fate during gastrulation when the FGF signal is inhibited and that the corresponding cells subsequently integrate the notochord. The morphological study of the notochord in these treated embryos allows us to propose a hypothesis for the appearance of the prechordal plate. For the second part of my PhD, studies had previously shown that the formation of the anterior and posterior somites relies on the function of transcription factors (Six1/2 and Pax3/7) orthologous to major players in the formation of trunk muscles in vertebrates. In addition, genes primarily involved in the formation of head mesoderm and lateral mesoderm in vertebrates are expressed in the ventral part of amphioxus somites. Based on these data, it was proposed that the vertebrate head mesoderm is homologous to the ventral part of amphioxus somites. On the one hand, I analyzed in amphioxus the expression of genes known to play a role in the development of lateral mesoderm derivatives in vertebrates. On the other hand, I showed that cis-regulatory sequences of some amphioxus genes expressed in ventral somites direct the expression of a reporter gene in the head and in lateral mesoderm derivatives in the vertebrate zebrafish. In conclusion, these results improve the robustness of our hypothesis proposing homology between vertebrate lateral/head mesoderm and the ventral region of amphioxus somites