The Physics of Early Drosophila Development - Thèses ENS
Thèse Année : 2024

The Physics of Early Drosophila Development

La physique du développement précoce de la drosophile

Résumé

This work presents a physics approach to the early embryonic development of Drosophila. The development of multicellular organisms must tackle diverse challenges, in particular, producing a great variety of shapes and tissues that differentiate in specific locations starting from a single cell, in a robust way. Orchestrating all of this requires the interplay between biochemistry and mechanics, hence the relevance of the physics toolkit to integrate these elements. These ideas will be explored in a well-established model system in biology, the fruit fly Drosophila Melanogaster. Chapter I introduces general notions of biophysics and its approach, characterizes the embryonic development of multicellular organisms, and gives an overview of the early development of the fruit fly. Chapter II describes the modeling of cytoplasmic flows produced by actomyosin contractions a few cellular cycles after fertilization, controlled by a mechanochemical coupling between the nuclei and the cortex. The model reproduces experimental observations on the flow shape, amplitude, and nuclear transport. Chapter III introduces a simplified model that allows for a theoretical treatment of the cytoplasmic flows described in Chapter II. We obtain analytical expressions of the strength and shape of the flows and the timescale of nuclear centering for different geometries and make predictions on the stability of myosin distribution and pattern formation. Chapter IV describes the pre-gastrulating nuclear cycles, where after having spread in the bulk of the embryo, the nuclei migrate to the cortex and the cell cycle slows down in preparation for gastrulation. Experiments have shown thatthe dynamics of the nuclei at the cortex depend on nuclear density and the temperature profile in the embryo. We explore a model that reproduces experimental observations in wild-type and mutant embryos, particularly considering the spreading of mitotic waves, and make predictions that suggest new experiments.
Cette thèse porte sur le développement embryonnaire de la Drosophile depuis un point de vue physique. Les organismes multicellulaires ont de gros défis à surmonter : leur développement doit aboutir à une grande variété de formes et de tissus qui se différentient à des positions spécifiques à partir d'une cellule initiale, et ce de manière reproductible. La Drosophile Melanogaster est depuis longtemps étudiée, ce qui en fait un terrain de jeu parfait pour utiliser les outils de la physique afin de comprendre l'ensemble de processus qui rendent cela possible, en particulier le couplage entre la biochimique et la mécanique. Le chapitre I introduit la biophysique et son approche, caractérise le développement embryonnaire des organismes multicellulaires, et décrit les premières phases du développement de la mouche. Le chapitre II aborde la modélisation des écoulements cytoplasmiques produits par des contractions d'actomyosine quelques cycles cellulaires après la fertilisation, grâce à un couplage méchanochimique noyaux-cortex. Le modèle reproduit les observations expérimentales sur la forme des écoulements, leur amplitude et le transport des noyaux. Le chapitre III aborde les résultats théoriques sur les écoulements décrits dans le chapitre II, en introduisant un modèle simplifié. Le modèle explicite des expressions sur la puissance des écoulements et le mouvement résultant des noyaux pour différentes géométries, et fait des prédictions sur la stabilité des distributions de myosine et la formation de motifs. Le chapitre IV traite des cycles nucléaires qui précèdent la gastrulation. Après la diffusion des noyaux dans l'œuf, ils atteignent le cortex embryonnaire, et l'horloge cellulaire qui contrôle les divisions se ralentissent en préparation à la gastrulation. Des expériences ont trouvé que la dynamique des noyaux dépend de la densité nucléaire et le profil de température dans l'œuf. On explore un modèle qui reproduit des observations sur la propagation des ondes mitotiques dans des embryons type sauvage et mutants. On fait ainsi des prédictions pour des expériences futures.
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Dates et versions

tel-04876697 , version 1 (09-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04876697 , version 1

Citer

Claudio Hernández-López. The Physics of Early Drosophila Development. Biological Physics [physics.bio-ph]. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024SORUS342⟩. ⟨tel-04876697⟩
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