Phenotypic heterogeneity in clonal cell populations : origin and consequences
Hétérogénéité phénotypique dans les populations d’origine clonale : Origine et conséquences
Résumé
According to the actual paradigm, isogenic cells inthe same environment must display the
same behavior as they share the same genetic program. In consequences, the clonal origin
of cells is considered as the best guaranty of their homogeneity. Nevertheless, observing
differences between isogenic cells, grown in the same environment is not a rare event as
observed in different studies. The main objective of this work is to understand how those
differences between genetically identical cells appear and to quantify the dynamics of
these changes.
The first part is dedicated to the study of long term variations in cells’ phenotype. Starting
from single cells, we monitored the emergence of cell-to-cell variations in the resulting
populations by weekly analysis during several weeks. We show that the establishment of
cell-to-cell heterogeneity in our system is a long lasting process, suffering a memory effect
which slowed the diversification of phenotype. Nevertheless, several weeks after subcloning individual cells, a relaxation process is observed in the resulting populations and
their variability reached the same level as in the original population.
In the second part, we quantified rapid changes in gene expression at the level of single
cells. Based on video-microscopy experiments coupled with images analysis and signal
processing, we highlight different single-cell dynamics that could explain the emergence
of cell-to-cell differences in isogenic cells populations. We also show that a competition
effect appears between similar transgenic constructs when they are close to each other.
Finally, we highlight the limitations of the use oflong-life proteins for the study of gene
expression dynamics.
Le paradigme actuel de la biologie soutient que descellules possédant le même programme
génétique doivent se comporter de façon similaire lorsqu’elles évoluent dans le même
environnement. L'origine clonale de cellules est alors une garantie de grande homogénéité
pour de nombreuses applications. Néanmoins, des observations montrent que malgré leur
identité génétique, certaines cellules arborent des caractères différents dans le même
environnement. L’objectif principal de ce travail est d’étudier la dynamique des
fluctuations qui conduit à la diversification de ces cellules.
Dans un premier temps, nous avons étudié la dynamique qui permet d’obtenir une
population clonale hétérogène, à partir d’une cellule. En isolant des cellules et en
analysant leurs descendants pendant plusieurs semaines, nous avons montré que ce
processus est relativement long. Il semble subir uneffet mémoire à l’échelle cellulaire qui
ralentie la diversification phénotypique. Néanmoins, après plusieurs semaines, un retour à
l’équilibre s’opère et la variabilité des populations obtenues atteint celle de la population
d’origine.
Par la suite, nous avons quantifié les changements d’expression génique à l’échelle
cellulaire. Cette seconde étape, basée sur la vidéo-microscopie couplée à l’analyse d’images
et au traitement du signal, a permis d’estimer la dynamique qui aboutie à l’hétérogénéité
observée dans la première partie. Nous avons aussi mis en évidence qu’une proximité
spatiale entre deux constructions transgéniques pouvait entraîner une compétition entreelles. Enfin, nous avons identifié une limite à l’utilisation de certains gènes rapporteurs
dans les études dynamiques de l’expression génique.
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