L'objectif de la biologie du développement est de comprendre les premières étapes du développement des individus.

Exemples de thèmes de recherches actuelles en biologie du développement à l' Institut Jacques Monod, Jussieu 

"Nous utilisons la drosophile pour étudier les mécanismes de l'expression sélective du génome qui orientent les cellules vers l'acquisition d'un destin spécifique et d'un phénotype différencié au cours du développement.

Détermination de l'identité des cellules somatiques du follicule ovarien

La mise en place, au cours de l'ovogenèse, de l'information maternelle nécessaire à la détermination des axes de polarité antéropostérieure et dorsoventrale de l'embryon de drosophile repose sur un échange bidirectionnel de signaux entre les cellules folliculaires et l'ovocyte. Notre connaissance des réseaux géniques mis en jeu dans les cellules somatiques et les cellules germinales pour l'établissement de la polarité dorso-ventrale a considérablement progressé mais demeure incomplète. Notre objectif est d'identifier de nouveaux gènes impliqués dans ces réseaux et étudier leur rôle dans l'acquisition ou le maintien de l'identité dorso-ventrale des cellules folliculaires.
Nous avons criblé une collection d'insertions d'un élément transposable « piège à séquences de régulation » contenant un gène rapporteur lacZ qui permet d'identifier des gènes sur la seule base de leur profil spatial et temporel d'expression. Ceci nous a permis d'isoler huit lignées dans lesquelles le gène rapporteur est spécifiquement exprimé dans les cellules folliculaires, soit en position dorsale, soit, pour l'une d'entre elles, ovk, en position ventrale. Nous avons cloné le gène ovk et établi la structure de ses transcrits qui codent un facteur de transcription à doigts de zinc. Notre but est maintenant d'étudier le rôle du gène ovk dans l'acquisition de l'identité des cellules folliculaires ventrales, de déterminer sa position dans la cascade de gènes impliqués dans la mise en place de la polarité dorsoventrale de la chambre ovarienne et d'identifier ses gènes cibles.

Identification des gènes cibles de l'homéoprotéine Engrailed

La protéine Engrailed joue un rôle clé dans l'acquisition et le maintien de l'identité des cellules des compartiments postérieurs des segments composant le corps de la drosophile en régulant la transcription d'un grand nombre de gènes cibles. L'identification de ces gènes est essentielle pour la compréhension du mécanisme d'action moléculaire d'Engrailed. Nous avons détecté environ une centaine de cibles potentielles par immunocoloration des chromosomes polytènes de glandes salivaires et nous avons étudié en détail deux d'entre elles qui se révèlent impliquées dans des mécanismes cellulaires distincts. L'une est le gène polyhomeotic, un membre du groupe Polycomb impliqué dans le maintien de l'expression des gènes homéotiques qui confèrent leur identité aux segments. L'autre est le gène de la ß3-Tubuline qui est l'un des constituants essentiels du cytosquelette des cellules musculaires.

Mécanisme d'action de l'ecdysone

En fin de troisième stade larvaire, l'hormone stéroïde ecdysone et son récepteur nucléaire hétérodimérique EcR/USP induisent la métamorphose en déclenchant la transcription d'un petit nombre de gènes précoces régulateurs qui activent à leur tour un très grand nombre de gènes effecteurs de la morphogenèse. Notre objectif est d'analyser les mécanismes moléculaires de la restriction tissulaire de cette réponse hormonale. Notre modèle est le gène Fat body protein 1 (Fbp1) exprimé dans le seul tissu adipeux et qui code un récepteur membranaire impliqué dans l'endocytose des protéines de l'hémolymphe et leur mise en réserve par ce tissu pour leur utilisation pendant la métamorphose.
Un élément régulateur de type "enhancer", situé en amont du gène Fbp1, est une cible directe du récepteur EcR/USP dont nous avons démontré le rôle de commutateur temporel de l'induction hormonale. Nous avons montré que cet élément est également la cible directe d'une protéine de la famille GATA et de facteurs nucléaires spécifiques du tissu adipeux dont nous poursuivons l'identification moléculaire. Enfin, l'activité du enhancer est dépendante des protéines à doigts de zinc et motif d'interaction protéine-protéine BTB/POZ codées par le gène régulateur précoce Broad-Complex dont nous poursuivons une analyse génétique détaillée. Notre objectif est d'étudier les interactions prenant place in vivo entre ces différents facteurs transrégulateurs ainsi que les modifications de la structure chromatinienne qu'elles peuvent induire dans le but d'établir leur rôle dans la détermination de la spécificité tissulaire de l'induction de la transcription du gène Fbp1 par l'ecdysone.
Par ailleurs nous avons entamé une étude génétique et moléculaire du mécanisme d'action de la protéine FBP1 et la caractérisation d'autres gènes pouvant être impliqués dans le processus d'endocytose massive des protéines par le tissu adipeux."

"Notre groupe s'intéresse à de multiples aspects des mécanismes et de la régulation de l'expression des gènes chez les cellules eucaryotes, suite à deux observations originales du laboratoire : (1) la découverte en 1962-1965 des ARN pré-ribosomiques et pré-messagers et de leur métabolisme en ARN de taille finale, et (2) sur celle des PROSOMES (aussi " protéasomes 20S" ), un type nouveau de particules protéiques renfermant des activités de RNase aussi bien que protéasiques, trouvés chez les archaebacteria aussi bien que chez l'homme, qui semblent agir comme facteurs « in trans » sur l'expression des gènes avant et après la traduction en protéines. La « Régulation en Cascade » donne un cadre théorique à ces recherches dont certaines ont mené à un nouveau concept : la « Unified Matrix Hypothesis », basée sur le postulat d'une fonction directe, " hors code génétique", du ADN dans la morphogenèse. Depuis dix ans, nous avons publié sur les deux sujets 63 mémoires originaux et 10 thèses de doctorat.

Les Prosomes, facteurs agissant "in trans" au niveau de l'ADN, des ARN pré-messagers et messagers, et des protéines

La découverte des Prosomes fut basée sur le postulat théorique puis la recherche active d'un système de reconnaissance et répression de transcrits spécifiques multi-factoriel, agissant in trans au niveaux pré-mRNA et mRNA (revue dans Scherrer and Bey, 1994). Que ce système porte aussi sur le niveau post-traductionnel fut une surprise ; il signifie le contrôle d'un seul type de facteur sur l'homéostase de protéines spécifiques par biosynthèse, suivie de modulation et élimination cataboliques des produits. Les prosomes représentent une population de particules, variables en sous-unités, qui ont une activité de protéinase mais aussi de RNase, et renferment, parfois, un tRNA du type des amorces retrovirales. Codés par une nouvelle famille de gènes hautement conservés, nous les trouvons associés in vivo au ADN, aux pré-mRNA et mRNA. Ils inhibent de façon différentielle la traduction des mRNA in vitro et, comme "core" des "protéasomes 26S", fragmentent de façon sélective des protéines. Leur présence au niveau des pré-mRNP, et des mRNP non-traduits, sur la matrice nucléaire, les filaments intermédiaires et les microfilaments du cytosquelette, pourrait donner une nouvelle fonction à ces réseaux, ce qui peut servir comme base conceptuelle à l'explication de l'observation de la traduction de mRNA spécifiques dans des secteurs topologiques fonctionnels du cytoplasme. Nos anticorps monoclonaux anti-prosomes ont permis de démontrer la présence et la cytolocalisation sélective de sous-populations de ces particules dans les cellules pendant le développement embryonnaire, pendant la différenciation (voir figure b) et dans les tissus adultes. Leur exploitation sur les tissus et le sang humains est à l'étude pour le diagnostic de pathologies, notamment du cancer, dans le cadre d'un programme de valorisation.

L'organisation génomique et la transcription polycistronique des gènes globines aviaires

Les domaines génomiques des gènes globine a et b chez le poulet et le canard représentent l'objet «classique » de nos recherches depuis 25 ans ; ils nous occupent toujours, per se et dans le cadre du projet « Prosomes ». Sur 35 kpb du domaine des a-globines de poulet, de nombreux éléments de contrôle furent trouvés, parmi eux des sites, (a) de hypersensibilité à la DNase, de sensibilité (b) à la nucléase S1 et (c) à la topoisomerase 2, (d) d'attachement à la matrice nucléaire, (e) d'initiation de la réplication, et (f) des « enhancer/silencers » ; nous avons identifié de nombreux facteurs protéiques s'associant à ces segments de ADN. La transcription des gènes globines embryonnaires dans les animaux adultes, leur transcription abortive dans les cellules érythroleucémiques AEV, la co-transcription des gènes adultes et embryonnaires en un seul ARN globine polycistronique ("Full Domain Transcript" ou "FDT" ) montrent que la régulation de l'expression de ces gènes opère largement aux niveaux post-transcriptionnels (e.g. voir figure a) où agissent les prosomes."

Le thème principal de l'équipe est l'analyse des mécanismes de la régulation de l'expression génétique chez les mammifères au cours du développement, surtout en phase terminale de différenciation. Nous nous intéressons essentiellement aux aspects transcriptionnels et abordons aussi certains aspects du contrôle de la stabilité des ARNm.

Glucocorticoïdes, chromatine et méthylation de l'ADN

Les gènes qui ne sont pas exprimés sont généralement compactés dans une structure chromatinienne inaccessible à la machinerie transcriptionnelle. La nature de cette chromatine "fermée" est encore mal caractérisée ; très souvent, les cytosines de l'ADN sont méthylées dans la chromatine inactive. Au cours du développement et chez l'adulte, la mise en route des gènes inactifs nécessite l'ouverture de la chromatine. Cette ouverture est déclenchée par des facteurs régulateurs qui agiraient en recrutant diverses machineries de remodelage de la chromatine (parmi lesquelles des histones acétyltransférases). Pour étudier les mécanismes de ce remodelage et ses conséquences sur l'expression génétique, nous utilisons comme modèle le gène de la tyrosine aminotransférase (Tat). Nous nous intéressons plus particulièrement à son activation transcriptionnelle par le récepteur aux hormones glucocorticoïdes (GR) et à la spécificité hépatique de cette régulation. Les séquences nucléotidiques et les facteurs de transcription permettant la régulation ont été caractérisés en utilisant les techniques maintenant classiques de transfection cellulaire, footprinting in vitro, purification de facteurs, etc. Les modalités d'interaction de ces facteurs dans la cellule ont été analysées par footprinting in vivo, ce qui a permis de mettre en évidence la contribution de la structure chromatinienne à la régulation. Nous poursuivons l'analyse par footprinting in vivo pour mieux caractériser les modalités de transition de structure chromatinienne, l'impact des enzymes contrôlant le degré d'acétylation des histones ainsi que le degré de méthylation de l'ADN. Nous avons observé que le gène Tat était déméthylé quelques jours avant la naissance en réponse aux glucocorticoïdes. Nous avons pu reproduire cette déméthylation en utilisant des cellules en culture et nous sommes maintenant en mesure d'analyser précisément les mécanismes moléculaires impliqués. Nos résultats indiquent que le GR est capable de recruter localement une machinerie de déméthylation de l'ADN. Cela permet de garder en mémoire une trace de la première activation. Cette mémorisation en fin de gestation préparerait l'activation du gène à la naissance.

Glucocorticoïdes, spécificité tissulaire et régulations artificielles

D'autre part, nous étudions la spécificité tissulaire de la réponse aux glucocorticoïdes en utilisant les souris transgéniques. Ceci nous permet de mieux comprendre les différents niveaux de contrôle de cette spécificité, le rôle joué par les facteurs accessoires liant les séquences régulatrices et celui joué par les coactivateurs interagissant avec le GR. Nous souhaitons utiliser l'information obtenue pour créer des régulations composites artificielles afin de contrôler l'expression d'un gène à façon dans l'animal. Nous exprimerons dans les souris des protéines chimériques qui devraient se comporter comme des dominants négatifs (ou positifs) de certains facteurs de transcription. Cela permettra d'étudier l'impact de la perturbation de leur fonction sur le développement de l'animal et plus particulièrement du foie. Ce travail fondamental pourrait aboutir à la création de systèmes régulateurs utilisables pour certaines applications de thérapie génique.
Finalement, nous nous sommes intéressés à certains aspects de la régulation de la stabilité des ARNm chez les mammifères, c'est-à-dire à la visualisation des interactions ARN-protéines in vivo et à la relation entre déadénylation et décapping lors de la dégradation.

"Un aspect essentiel du développement de l'embryon de mammifères est la tolérance maternelle vis-à-vis du fœtus porteur d' antigènes paternels. Cependant, ceux-ci sont reconnus comme étrangers par l'organisme maternel.

Etude des mécanismes impliqués dans la tolérance maternelle au fœtus

De nombreuses hypothèses ont été avancées pour expliquer cette absence de rejet et de destruction du fœtus. En particulier, il a été suggéré que les couches du placenta dérivées du trophectoderme et en contact avec l'organisme maternel sont dépourvues d'antigènes polymorphes du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH), du début du développement de l'embryon jusqu'à la fin de la gestation. Ceci favoriserait l'échappement de l'unité fœto-placentaire au rejet immunitaire puisque les molécules polymorphes du CMH sont les cibles du rejet aigu des greffes. Notre projet est de soumettre cette hypothèse à une vérification expérimentale. "

Modèles de souris transgéniques capables d'exprimer des molécules du CMH au niveau du placenta

"Notre but est d'étudier les conséquences de l'expression, au niveau du placenta, d'antigènes de classe I ou II du CMH, étrangers à l'organisme maternel et donc susceptibles d'être reconnus par celui-ci et d'entraîner un rejet. Les conséquences de cette expression ectopique sur le développement du placenta et du fœtus sont étudiées dans des lignées de souris transgéniques. Celles-ci sont produites à l'aide de constructions dans lesquelles des gènes ou des ADNc du CMH ont été placés sous le contrôle de promoteurs à expression ubiquitaire ou restreinte aux cellules du trophoblaste. Nous utilisons également des promoteurs inductibles ou répressibles par la Tétracycline, qui doivent nous permettre de contrôler le schéma spatio-temporel de l'expression de gènes d'intérêt au niveau du placenta. D'autre part, notre équipe s'intéresse à un autre aspect des régulations immunitaires dans le placenta en étudiant les propriétés immunomodulatrices de facteurs solubles extraits du placenta de souris. L'un de ces facteurs est capable de supprimer in vivo la production d'anticorps ou les réactions immunes médiées par les cellules (réaction du greffon-contre-l'hôte). Il semble donc jouer un rôle dans l'établissement et le maintien de la tolérance de l'organisme maternel vis-à-vis du fœtus. La caractérisation biochimique est en cours et sera suivie de l'identification et du clonage du gène ou de l'ADNc de cette molécule. Nous voulons aussi établir des lignées cellulaires continues in vitro, qui correspondent aux différents types de cellules trophoblastiques présentes dans le placenta de souris. De plus, nous étudions l'influence d'alloantigènes fœtaux sur le système immunitaire maternel. Nos travaux, en collaboration avec le laboratoire du Pr. D. Nemazee à Denver (USA), ont apporté la première démonstration directe d'une élimination clonale, dans la rate et dans la moelle osseuse de la mère, des lymphocytes B maternels spécifiques du fœtus durant la seconde moitié de la gestation, dans un modèle de souris transgéniques. La participation d'autres catégories de lymphocytes maternels dans ce phénomène est analysée dans des souris transgéniques RAG-/-, dépourvues d'autres lymphocytes T ou B fonctionnels. Nous voulons ensuite analyser le rôle de récepteurs impliqués dans l'apoptose, tels que Fas, le ligand de Fas et Bcl 2, dans cette délétion clonale. Il reste à déterminer l'importance relative de ces différents mécanismes, tels que la régulation de l'expression des gènes du CMH au niveau du placenta, la production locale de facteurs immunosuppresseurs, l'élimination ou l'inhibition des lymphocytes maternels anti-fœtus, dans le réseau complexe de régulations qui permettent la tolérance maternelle au fœtus."