Ascidian embryos develop with stereotyped and evolutionarily conserved invariant cell lineages to produce in a few hours or days tadpole larvae with a small number of cells. They thus provide an attractive framework to describe with cellular resolution the developmental program of a whole organism. During my PhD, I developed a quantitative approach to describe the evolution of embryonic morphologies during the development of the ascidian Phallusia mammillata. I then used this approach to systematically characterize in detail the logic of cell fate induction events. To quantitatively characterize cell behaviors during embryogenesis, we used multi-angle light-sheet microscopy to image with high spatio-temporal resolution entire live embryos with fluorescently labeled plasma membranes. To extract biological information from this imaging dataset, I then developed a conceptually novel automated method for 4D cell segmentation, ASTEC. Applied to a Phallusia mammillata embryo imaged for 6 hours between the 64-cell and the initial tailbud stages, this method allows the accurate tracking and shape analysis of 1030 cells across 640 cell divisions. The resulting 4D digital embryo can be formalized as a dynamic graph, in which cells are represented by nodes, linked within a time point by edges that represent their spatial neighborhood, and between time points by temporal edges describing cell lineages.Based on this quantitative digital representation, we systematically identified cell fate specification events up to the late gastrula stage. Computational simulations revealed that remarkably simple rules integrating measured cell-cell contact areas with boolean spatio-temporal expression data for extracellular signalling molecules are sufficient to explain most early cell inductions. This work suggests that in embryos establishing precise stereotyped contacts between neighboring cells, the genomic constraints for precise gene expression levels are relaxed, thereby allowing rapid genome evolution.

Les embryons d’ascidies se dĂ©veloppent avec un lignage cellulaire stĂ©rĂ©otypĂ© et Ă©volutionairement conservĂ© pour produire en quelques heures ou jours un tĂŞtard comportant un petit nombre de cellules. De ce fait, ils fournissent un cadre intĂ©ressant pour dĂ©crire avec une rĂ©solution cellulaire le programme de dĂ©veloppement d’un organisme complet. Pendant mon doctorat, j’ai dĂ©veloppĂ© une approche quantitative pour dĂ©crire l’évolution morphologique embryonnaire pendant le dĂ©veloppement de Phallusia mammillata. J’ai ensuite utilisĂ© cette approche pour systĂ©matiquement caractĂ©riser en dĂ©tail les logiques des Ă©vĂ©nements de spĂ©cifications de destin cellulaire.Pour caractĂ©riser quantitativement les comportements cellulaires pendant l’embryogenèse, nous avons utilisĂ© de la microscopie Ă  feuille de lumière multi-angles pour imager des embryons entiers Ă  haute rĂ©solution spatio-temporelle. Les membranes plasmiques Ă©taient marquĂ©es pour permettre l’identification des cellules. Pour extraire les informations biologiques de ce jeu de donnĂ©s, j’ai dĂ©veloppĂ© une nouvelle mĂ©thode pour segmenter les cellules en 4D, ASTEC. Une fois appliquĂ©e aux embryons de Phallusia mammillata imagĂ©s pendant 6 heures entre le stade 64 cellules et le dĂ©but des stades bourgeon caudal, cette mĂ©thode a permis de rĂ©cupĂ©rer la forme et de suivre 1030 cellules pendant 640 divisions. L’embryon digital 4D rĂ©sultant peut ĂŞtre formalisĂ© par un graphe dynamique, dans lequel les cellules sont reprĂ©sentĂ©es par des sommets reliĂ©s par des arrĂŞtes reprĂ©sentant au sein d’un point de temps leur voisinage spatial, et entre diffĂ©rents points de temps leur lignage cellulaire.BasĂ© sur cette reprĂ©sentation digitale et quantitative, nous avons systĂ©matiquement identifiĂ© les Ă©vĂ©nements de spĂ©cification cellulaire jusqu’au dernier stade de la gastrulation. Des simulations informatiques ont rĂ©vĂ©lĂ© que des règles remarquablement simples intĂ©grant les aires de contacts cellulaires et les expressions spatio-temporelles boolĂ©ennes de signaux molĂ©culaires extracellulaires sont suffisantes pour expliquer les inductions cellulaires au cours du dĂ©veloppement prĂ©coce. Ce travail suggère que pour les embryons Ă©tablissant des contacts stĂ©rĂ©otypĂ©s et prĂ©cis entre cellules voisines, les contraintes gĂ©nomiques sont relâchĂ©es, ce qui permet une Ă©volution plus rapide du gĂ©nome.