Evolution of a novel left-right asymmetry in Drosophila pachea
Evolution d'une nouvelle asymétrie latérale chez Drosophila pachea
Résumé
Most animals have various left-right asymmetric organs. However, the underlying genetic and cellular changes leading to these asymmetries during evolution remain unclear. We study the role and the development of morphological left-right asymmetry using Drosophila pachea as a new model system. Males of this species have a pair of asymmetric genital lobes with the left lobe being 1.5 times longer compared to the right lobe. It was previously found that the lobes stabilize the genital complex of the female and the male during copulation. In my thesis, I investigated their role during pre-copulatory events and found that left lobe length, but not necessarily right lobe length, affects the male chance to copulate. The morphology of this primary sexual trait may thus affect reproductive success by mediating courtship signals or by facilitating the establishment of genital contacts at the onset of copulation. The characterization of lobe development revealed that lobes grow between 24 h and 36 h after puparium formation (APF) to about 410 and 220 cells at the left and right lobe, respectively. However, no differences in mitotic rates were detected at various time points of development by immuno-fluorescence staining, indicating a possible recruitment of cells from the neighboring tissues. Lobe growth occurs while male genitalia rotate clockwise during pupal development between 25 h and 40 h APF. In a D. pachea mutant with variable left lobe length, this rotation occurs 6 h earlier compared to wild-type stocks, indicating that the correct temporal coupling of genitalia rotation and lobe growth are required for proper asymmetry establishment. By comparing the pupal development timing of various other Drosophila species, we found out that the relative timing of the first developmental period from 0 to 55 h after puparium formation is well conserved across species. Since this period encompasses lobe development, the genital asymmetry establishment in D. pachea is probably not affected through a global shift of developmental timing in this species. We developed transgenic D. pachea expressing a fluorescent membrane marker, a truncated DE-cadherin fused to a GFP, to monitor in vivo the dynamics of the development of asymmetric lobes. Live-imaging of developing genitalia revealed that the left lobe interacts physically with the surrounding tissue. Asymmetric growth thus likely depends on intrinsic asymmetric cellular growth processes inside the genitalia, but also on a particular tissue-tissue interaction in the context of the rotating tissue. This might indicate that a conserved asymmetric developmental process, the genitalia rotation, may have been co-opted during evolution to derive a novel asymmetric structure. Altogether, my PhD thesis is related to how (developmental processes), and why (behavioral function), this novel left-right asymmetry evolved in D. pachea, and to how asymmetric tissue size is determined during development. My project aims to combine diverse approaches to work on different biological scales, including adult individuals, dynamics of the complex genital primordia during development, but also cellular growth dynamics within the forming lobes. In addition, we established D. pachea as a new model in developmental biology and generate a new biotechnological tool for live-imaging and functional analysis which open a door for a large panel of future researches.
La plupart des animaux possèdent divers organes latéralement asymétriques. Cependant, les processus génétiques et cellulaires sous-jacents qui conduisent à ces asymétries restent flous. Nous étudions le rôle et le développement d'une asymétrie gauche-droite en utilisant Drosophila pachea comme nouvelle espèce modèle. Chez cette espèce, les mâles ont une paire de lobes génitaux asymétriques, le lobe gauche étant 1,5 fois plus long que le droit. Les lobes stabilisent le complexe génital formé entre la femelle et le mâle pendant la copulation. Nous avons étudié leur rôle avant la copulation et avons découvert que la longueur du lobe gauche, mais pas nécessairement celle du lobe droit, affecte les chances du mâle de copuler. La morphologie de ce caractère sexuel primaire peut donc affecter le succès reproductif, via la transmission des signaux de cour ou en facilitant l'établissement des contacts génitaux entre le mâle et la femelle au début de la copulation. La caractérisation du développement des lobes a révélé que les lobes croissent entre 24 h et 36 h après la formation du puparium (APF) pour atteindre environ 410 et 220 cellules dans les lobes gauche et droit respectivement. Cependant, aucune différence de taux mitotique n'a été détectée entre le lobe gauche et le lobe droit au cours du développement par marquage immuno-fluorescent, indiquant un éventuel recrutement de cellules à partir des tissus voisins. La croissance des lobes se produit lorsque les genitalia mâles effectuent une rotation de 360° dans le sens horaire, entre 25 h et 40 h APF. Dans un stock un mutant de D. pachea dans lequel la longueur du lobe gauche est variable, cette rotation se produit 6 h plus tôt que dans le stock sauvage, ce qui indique que le couplage temporel correct de la rotation des pièces génitales et de la croissance des lobes est nécessaire pour l'établissement correct de l'asymétrie. En comparant les durées du développement pupal chez diverses espèces de drosophiles, nous avons découvert que les premières 0 à 55 h APF sont assez bien conservées entre espèces. Ainsi, l'établissement de l'asymétrie génitale chez D. pachea n'est probablement pas affectée par un changement global du déroulement du développement pupal par rapport aux autres espèces. Nous avons mis au point une souche transgénique de D. pachea exprimant un marqueur membranaire fluorescent, une DE-cadhérine tronquée et fusionnée à une protéine fluorescente verte (Green Fluorescent Protein, GFP), pour marquer chaque cellule et suivre la dynamique du développement asymétrique des lobes. La microscopie in vivo a révélé que le lobe gauche interagit physiquement avec les tissus environnants à la périphérie des pièces génitales. La croissance asymétrique dépend donc vraisemblablement de processus intrinsèques aux pièces génitales, mais aussi d'interactions tissu-tissu particulières dans le contexte de la rotation des genitalia. Ainsi, un processus développemental asymétrique conservé, la rotation des pièces génitales, aurait pu être co-optée au cours de l'évolution pour dériver une nouvelle structure asymétrique. En conclusion, ma thèse de doctorat traite du pourquoi, par la fonction, et du comment, par le développement, de l'évolution de cette nouvelle asymétrie latérale chez D. pachea. Par la combinaison de diverses approches biologiques, mon projet a permis d'étudier l'asymétrie droite-gauche des lobes génitaux de D. pachea à différentes échelles biologiques : chez les individus adultes, au niveau tissulaire via l'analyse de la dynamique du développement des primordia génitaux, mais aussi au niveau cellulaire avec l'analyse de la croissance cellulaire à l'intérieur des lobes en formation. De plus, nous avons établi D. pachea comme un nouveau modèle en biologie du développement et généré un nouvel outil bio-technologique pour l'imagerie in vivo et l'analyse fonctionnelle. Cette avancée ouvre la porte à un large panel de recherches futures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)