Le modele drosophila melanogaster

Le modele drosophila melanogaster

Les avantages de la drosophile

L’étude de modèles insectes a permis de faire de grandes découvertes dans de nombreux domaines des Sciences du Vivant. Par exemple, l’étude de la drosophile fut initiée en 1910 par l’américain Thomas Morgan qui reçut le Prix Nobel en 1933. Partant de l’isolement de drosophiles mutantes pour la couleur des yeux, Morgan et ses collaborateurs ont développé des outils génétiques qui leur ont permis d’établir les premières cartes génétiques et de proposer la théorie chromosomique de l’hérédité. On s’était rendu compte à l’époque que l’irradiation aux rayons X ou l’administration par la nourriture d’agents mutagènes chimiques, induisaient des anomalies du développement. Ces recherches ont été révolutionnées dans les années 1970-80 par l’avènement des méthodes de la biologie moléculaire qui ont permis pour la première fois d’identifier les gènes mutés et de réaliser par la suite des études fonctionnelles. Ceci a conduit à développer chez la drosophile la méthode des cribles génétiques dont les résultats sont inestimables pour la biologie. Rappelons que les drosophiles sont de petite taille, à courte durée de génération, et faciles à élever en masse à faible coût. La première grande percée biologique basée sur ces approches chez la drosophile fut le déchiffrage des mécanismes moléculaires du développement qui mènent de l’œuf fécondé à un organisme multicellulaire complexe. Cependant, les méthodes biochimiques ne permettaient pas d’identifier les facteurs qui contrôlent ces processus. C’est vers 1980 en Allemagne que Christiane Nüsslein-Volhart et Erich Wieschaus mirent en route des cribles de mutagénèse chez la drosophile dans le but d’identifier génétiquement les facteurs responsables du développement. Ces cribles ont été extrêmement fructueux et après quelques années, les biologistes ont commencé à comprendre les mécanismes moléculaires déterminant la mise en place des axes antéro-postérieur et dorso-ventral, la segmentation du corps, et la différenciation des structures spécialisées au sein de ces segments. De ces travaux a émergé pour la première fois une image cohérente des processus génétiques, moléculaires et cellulaires qui concourent au développement d’un organisme multicellulaire. En très peu de temps, de nombreuses équipes à travers le monde ont montré que pratiquement tous les gènes impliqués au cours du développement de la drosophile possèdent des homologues chez les mammifères et chez l’Homme, et que ces gènes jouent des rôles semblables dans le développement de ces différents organismes. Ceci a mis en évidence la grande conservation au cours de l’évolution des molécules et des mécanismes qui contrôlent l’embryogenèse et la différenciation chez les organismes multicellulaires. La liste des apports significatifs du modèle drosophile ne s’arrête pas à la génétique du développement. Ainsi les premiers gènes qui sous-tendent les rythmes jour/nuit chez les animaux ont été découverts chez la drosophile par Seymour Benzer (Konopka & Benzer, 1971). De tels gènes ont ensuite été rapidement identifiés chez la souris et chez l’Homme, et ce domaine de recherche est actuellement en pleine expansion. L’étude de la mémoire, du sommeil, de la nutrition, de l’immunité, et beaucoup d’autres, ont bénéficié et continuent de bénéficier du modèle drosophile. Le séquençage du génome de la drosophile, accompli en 2.000, a révélé l’existence de 13.000 gènes, et on a depuis découvert que 75% des gènes humains récemment impliqués dans des pathologies humaines présentent des homologues chez l’insecte. La drosophile constitue en effet un modèle d’étude avantageux pour certaines pathologies, comme la maladie d’Alzheimer (Goguel et al., 2011) ou celle de Parkinson (pour revue (Whitworth, 2011)). De façon intéressante, la plupart des voies de signalisation qui guident les processus basiques sont conservées des invertébrés aux vertébrés après plus de 700 millions d’années d’évolution (Rubin et al., 2000). Enfin, d’un point de vue génétique, l’un des avantages de la drosophile par rapport aux modèles mammifères, est qu’il y a peu de redondance au niveau des gènes.

Anatomie du cerveau 

Le cerveau de la drosophile, constitué d’environ 100.000 neurones, est fonctionnellement très structuré (Ito et al., 2003). Le système nerveux périphérique de la drosophile possède différentes voies spécifiques à l’olfaction, la vision, la gustation et l’audition, qui projettent sur des structures spécifiques du système nerveux central. Le système nerveux central est divisé en deux grandes parties: la chaine nerveuse ventrale comprenant les ganglions thoracique et abdominal, et le cerveau. Comme chez les autres insectes, les neurones sont unipolaires, avec les corps cellulaires massés à la périphérie du cerveau tandis que les projections dendritiques et axonales sont regroupées dans la masse importante du neuropile. Le cerveau, composé de différents ganglions, est traversé par le tube digestif de manière antérograde. On distingue ainsi les ganglions supra- et sub-oesophagiens. Le ganglion sub-oesophagien est le principal centre de traitement de la gustation. Ce système nerveux permet à la drosophile de détecter essentiellement la nature sucrée ou amère d’un aliment et sa concentration (Hiroi et al., 2002; Thorne et al., 2004; Wang et al., 2004b). Le ganglion supra-oesophagien est composé de trois neuromères: le protocerebrum, le deutocerebrum et le tritocerebrum.

Le protocerebrum, le plus important par sa taille et sa complexité, regroupe quatre grandes structures : les deux lobes optiques, le complexe central, la pars intercerebralis et les Corps Pédonculés (CPs) (Figure 1).
– les lobes optiques, situés de part et d’autre du cerveau, traitent les informations visuelles provenant des yeux.
– le complexe central est localisé dans la partie centrale du cerveau. Il est composé du pont protocérébral, du corps en éventail (« fan shaped body »), de deux nodules et du corps en ellipse. Il reçoit essentiellement des informations sur l’activité locomotrice, provenant de la totalité du cerveau.
– la pars intercerebralis, située dans la partie antérieure du cerveau, est composée de neurones sécréteurs qui envoient des projections vers le ganglion tritocérébral (Strausfeld et al., 1998) et vers la partie ventrale et le thorax, notamment au niveau des corpora cardiaca et allata, organe neuro-endocrine du thorax impliqué dans diverses fonctions comme la mue.
– les CPs (Figure 2) sont des structures situées de part et d’autre de l’axe de symétrie du cerveau et séparées du reste du neuropile par une fine couche de cellules gliales. C’est une structure importante du cerveau mais non vitale (Heisenberg et al., 1985). Les CPs sont connus pour être impliqués dans le traitement supérieur des signaux olfactifs, dans les mécanismes d’apprentissage et de mémorisation (conditionnements olfactifs: pour revue, voir (Waddell & Quinn, 2001; Wolf et al., 1998), comportement de cour: (McBride et al., 1999)), dans la phase initiale des comportements adaptatifs complexes de choix (Tang & Guo, 2001; Zhang et al., 2007), et dans la régulation du sommeil (Joiner et al., 2006; Pitman et al., 2006). C’est pourquoi nous allons décrire cette structure en détail.

Chaque CP est composé d’environ 2.000 neurones dits intrinsèques, appelés cellules de Kenyon, et de neurones dits extrinsèques, afférents ou efférents (Ito et al., 1998). Les corps cellulaires des cellules de Kenyon, situés dans la partie dorsale postérieure de chaque hémisphère, projettent leurs dendrites dans les calices, structures volumineuses et arrondies situées en dessous des corps cellulaires (Figure 2). Ces dendrites reçoivent des afférences olfactives provenant des lobes antennaires (par le tractus antenno-glomérulaire), et peut-être des afférences d’autres modalités sensorielles (Stocker et al., 1990). Les axones des cellules de Kenyon projettent de manière fasciculée pour former le pédoncule qui se termine au niveau dorsal des lobes antennaires. A cet endroit, les axones se divisent pour former différents lobes: trois lobes horizontaux (« , « ’ et #), et deux lobes verticaux (! et !’) (Crittenden et al., 1998). Il existe 3 types de cellules de Kenyon, celles dont l’axone bifurque pour projeter au niveau des lobes ! et « , celles dont l’axone bifurque pour projeter au niveau des lobes !’ et « ’, et enfin, celles dont l’axone ne bifurque pas et projette au niveau du lobe #. Les lobes reçoivent de nombreux neurones afférents provenant du neuropile, pouvant répondre à plusieurs modalités sensorielles (pour revue, voir (Ito et al., 1998)). Les neurones efférents des CPs ne renverraient pas les informations directement vers les zones motrices, mais pourraient soit les connecter via plusieurs interneurones soit via les autres centres de traitement du protocerebrum antérieur (Ito et al., 1998) .

Le deutocerebrum est composé principalement des lobes antennaires, centre de traitement de l’olfaction. L’olfaction est assurée par deux organes principaux: les antennes et les palpes maxillaires. Les neurones olfactifs projettent via les nerfs antennaires ou le nerf labial sur les glomérules des lobes antennaires. Les neurones efférents des lobes antennaires projettent vers le protocerebrum, au niveau des CPs et de la corne latérale (Ito et al., 1998) (Figure 2). Les CPs assureraient l’intégration des stimuli olfactifs avec d’autres modalités sensorielles (mémoire olfactive) et la corne latérale assurerait le comportement d’évitement des odeurs aversives (Ito et al., 1998; Wang et al., 2003). La corne latérale reçoit les informations olfactives via les neurones de projection et est impliquée dans l’évitement inné des odeurs répulsives (Wang et al., 2003). Ainsi, chez la drosophile, deux voies olfactives convergent sur la corne latérale: une voie innée d’évitement aux odeurs qui va directement des lobes antennaires vers la corne latérale, et une voie qui provient des CPs et dont le signal est modulé par l’apprentissage. Le deutocerebrum comporte également les principales voies effectrices motrices du comportement (« posterior slope ») (pour revue, (Ito et al., 1998)). Enfin le tritocérébrum se compose de deux lobes relativement petits et bilatéraux à la base du cerveau. La composition du tritocerebrum est encore mal définie, mais il serait nécessaire afin d’établir des relations sensorimotrices entre le proboscis et la région digestive (nerfs stomatogastriques).

Table des matières

Introduction
A. Le modele drosophila melanogaster
1. Les avantages de la drosophile
2. Anatomie du cerveau
3. Un modèle pour l’étude du comportement
4. Les outils de base
B. La mémoire
1. Introduction générale
2. Les différents paradigmes de mémoire chez la drosophile
3. Les différents types de mémoires
4. Le centre de la mémoire olfactive: les Corps Pédonculés
5. Les mécanismes moléculaires impliqués dans la formation de la mémoire
C. Le sommeil
1. Introduction générale
2. Le sommeil chez la drosophile
3. Les coprs pédonculés: centre de contrôle du sommeil
4. Les différents mécannismes impliqués dans le sommeil et la mémoire
5. Effet de la réduction du sommeil sur l’apprentissage et la mémoire
D. Le rôle du rythme circadien sur la mémoire
Matériels & Méthodes
1. Stock de drosophiles
2. Expression de l’ARNi (système UASGAL4 – Gene-Switch)
3. Conditionnement aversif olfactif
4. Analyse du sommeil
5. Extraction d’ARN et synthèse d’ADNc
6. PCR Quantitative (PCR-Q) en temps réel
7. PCR (« polymerase chain reaction »)
8. Imagerie calcique in-vivo de la réponse aux odeurs
PARTIE I: Le rappel des memoires consolidees apres privation de sommeil est module par le rythme circadien
1. Introduction
2. Principaux Résultats
3. Conclusions
4. Résultats additifs à l’article
PARTIE II: Effet d’une privation de sommeil juste apres le conditionnement
1. La privation de sommeil juste après le conditionnement n’affecte pas la formation de la mémoire résistante à l’anesthésie
2. La privation à t0 n’affecte pas la formation de la mémoire à long terme
3. Une privation de 8 h à t0 n’affecte pas les mémoires consolidées
4. La privation de sommeil à t0 ne modifie pas la qualité de la mémoire formée
5. Une privation de sommeil à t0 a un effet positif sur la consolidation
6. La privation de sommeil à t0 n’altère pas le « reversal learning »
Discussion et perspectives
1. Effet du rythme circadien sur le rappel de la mémoire après une privation de sommeil
2. La consolidation de la mémoire des mutants de rythme circadien est insensible à une privation de sommeil.
3. Effet sur la mémoire d’une privation de sommeil juste après le conditionnement
4. Conclusion générale
Annexe: DSCAM
1. Brève introduction
2. Résultats
3. Conclusions
Conclusion
Bibliographie

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