Noise and robustness downstream of a morphogen gradient : Quantitative approach by imaging transcription dynamics in living embryos
Bruit et robustesse en aval d'un gradient morphogénétique : une approche quantitative par imagerie de la transcription dans les embryons vivants
Résumé
During development, cell differentiation frequently occurs upon signaling from gradients of molecules, called morphogens. A simple paradigm to study morphogens is the Bicoid gradient, which determines antero-posterior patterning in fruit fly embryos. This transcription factor allows the rapid expression of its major target gene hunchback, in an anterior domain with a sharp boundary. Using the MS2 system to fluorescently tag RNA in living embryos, we were able to show that the ongoing transcription process at the hunchback promoter is bursty Surprisingly, it takes only 3 minutes, from the first hints of transcription at the anterior to reach steady state with the setting of the sharp expression border in the middle of the embryo. To better understand the role of transcription factors other than Bicoid in this process, I used a two-pronged strategy involving synthetic MS2 reporters combined with the analysis of the hunchback MS2 reporter in various mutant backgrounds. The synthetic reporter approach, indicate that Bicoid is able to activate transcription on its own when bound to the promoter but in a stochastic manner. The binding of Hunchback to the Bicoid-dependent promoter reduces this stochasticity while Caudal might act as a posterior repressor gradient. Altogether, this work provide a new light on the mechanisms insuring a precise transcriptional response downstream of Bicoid.
La différenciation des cellules est souvent déclenchée par les gradients de molécules appelées morphogènes. Un paradigme simple pour l’étude des morphogènes est le gradient de Bicoid, qui détermine l’identité cellulaire le long de l’axe antéro-postérieur chez la mouche du vinaigre. Ce facteur de transcription permet l'expression rapide de son principal gène cible, hunchback, dans la moitié antérieure de l’embryon dans un domaine d’expression avec une bordure très franche. En utilisant le système MS2 rendant fluorescents des ARN dans les embryons vivants, nous avons montré que la transcription au promoteur d’hunchback est « bursty ». De manière surprenante, il suffit de 3 minutes, après la première détection de transcription à l’antérieur, pour que la bordure franche du domaine d’expression soit précisément positionnée au milieu de l’embryon. Afin de mieux comprendre le rôle des facteurs de transcription autres que Bicoid dans ce processus, j’ai utilisé une double stratégie impliquant des gènes rapporteurs MS2 synthétiques combinés à l’analyse du gène rapporteur hunchback MS2 dans des contextes génétiques mutants. L’analyse des gènes rapporteurs synthétiques indique que Bicoid est capable d’activer la transcription à elle seule en se fixant sur le promoteur mais de manière stochastique. La fixation d’Hunchback sur un promoteur régulé par Bicoid réduit cette stochasticité alors que Caudal agirait comme un gradient postérieur répresseur. L’ensemble de ces travaux apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes assurant une réponse transcriptionnelle précise en aval du morphogène Bicoid.
Origine : Version validée par le jury (STAR)