Vers une analyse structure-fonction du morphogène Bicoid par imagerie spatio-temporelle hautement résolutive de la dynamique transcriptionnelle dans les embryons de drosophile vivants

Chez les eucaryotes, les facteurs de transcription (FT) sont essentiels à l'assemblage du complexe d'initiation et au recrutement de l'ARN polymérase II (RNAPII) aux promoteurs. Si la liaison des FT à l'ADN, essentielle à ce processus, est bien comprise, la façon dont les domaines activateurs des FT recrutent la machinerie de transcription reste énigmatique. Combiné à l'approche MS2, qui permet le marquage fluorescent des ARNs et l'analyse spatio-temporelle hautement résolutive de la dynamique transcriptionnelle, le morphogène Bicoid (Bcd) est un modèle de choix pour aborder cette question in vivo. Bcd est un FT essentiel à l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon de drosophile, qui active l'expression de nombreux gènes cibles dans des domaines antérieurs aux bordures postérieures très nettes. L'approche MS2 a montré que la transcription du gène cible, hunchback (hb), alterne des périodes d'activité où plusieurs RNAPII démarrent les unes à la suite des autres (salves), et des périodes d'inactivité sans transcription. Ces travaux ont aussi montré qu'à l'échelle mésoscopique, la bordure du domaine d'expression d'hb est établie bien plus rapidement qu'anticipé (3 min). Ils ont permis d'établir un modèle d'activation de la transcription en aval de Bcd en deux étapes. Chaque partenaire de Bcd, Zelda (Zld) ou Hunchback (Hb) fonctionne à une étape spécifique de ce modèle : Zld abaisse le seuil de concentration de Bcd nécessaire à l'activation lors de la première étape tandis qu'Hb augmente la longueur des salves et le nombre de RNAPII par salve lors de la seconde étape. Bcd porte sept domaines fonctionnels, dont l'homéodomaine qui permet sa liaison à l'ADN, quatre domaines activateurs et deux domaines inhibiteurs. Si ces domaines sont connus depuis longtemps, leurs modes de fonctionnement restent énigmatiques : ils sont chacun enrichis en certains acides aminés et présentent une structure désordonnée. L'objectif de cette thèse était de déterminer à quelle étape du processus d'activation contribuent le domaine C-terminal « acide » (C) ou le domaine riche en glutamine (Q) de Bcd et comment ces domaines s'intégraient dans la synergie entre Bcd et ses partenaires. Mes travaux ont aussi fourni un nouvel éclairage pour comprendre la rapidité de la formation de la bordure. Dans ce but, j'ai étudié l'expression de rapporteurs MS2 dans 1) un mutant de délétion au locus bcd, bcd-ΔC et 2) dans des embryons exprimant des gradients de FT synthétiques, fusion entre le domaine de liaison à l'ADN de Gal4 et plusieurs copies des domaines activateurs de Bcd (Gal4-3C, Gal4-3Q et Gal4-3Q3C). Mes travaux montrent que le domaine Q et le domaine C sont impliqués dans différentes étapes mécanistiques. Le domaine Q est un activateur autonome fort mais n'est pas suffisant pour la mise en place rapide de la bordure d'expression. A l'inverse, le domaine C’est un très faible activateur en soi mais sa présence permet d'accélérer la mise en place de la bordure d'expression. Chacun des domaines Q ou C contribue de manière différente à l'interaction de Bcd avec Zld ou Hb. Le domaine C et Zld permettent ensemble une transcription productive suggérant qu'ils agissent à différentes étapes du processus. A l'instar d'Hb, la présence du domaine C régule le nombre de RNAPII par salve et le démarrage des périodes sans transcription. L'ensemble de ces travaux me permet de proposer une hypothèse pour expliquer la rapidité de la formation de la bordure : la mesure de la concentration de Bcd à la bordure nécessite de nombreux démarrages de salves transcriptionnelles et cela ne se produit rapidement que lorsque les domaines Q et C, intervenant à différentes étapes, sont tous les deux présents. Le domaine Q, fort domaine activateur autonome, permet facilement le démarrage d'une salve de transcription alors que le domaine C régule la longueur de ces salves et leur intensité, favorisant l'arrêt de la salve et permettant à Q de démarrer une nouvelle salve.