La façon dont les mutations permettent aux cellules d’adapter leur physiologie est complexe, dynamique et hétérogène. C’est un processus fondamental de l’évolution souvent étudié à l’échelle des populations longtemps après l’apparition des mutations. Les premières réponses suite à une modification génétique sont donc rarement observées. Je quantifie ici les effets immédiats suite à une altération génétique sur des cellules uniques de Saccharomyces cerevisiae. Pour ce faire, j’ai combiné deux technologies préexistantes, l’une biologique et l’autre physico-chimique. La première est une enzyme optogénétique appelée LiCre qui permet de recombiner des sites spécifiques d’ADN lorsqu’elle est activée par de la lumière bleue. La seconde est une puce microfluidique où des cellules uniques sont encapsulées dans des gouttelettes et observées au cours du temps. Cela permet de quantifier le taux de croissance et le rendement de plusieurs centaines de microcolonies provenant de cellules uniques.
Premièrement, j’ai participé à la caractérisation de LiCre en explorant ses applications en laboratoire et ses paramètres biochimiques. Puis, pour démontrer la pertinence de l’association LiCre/microfluidique, j’ai décrit la dynamique et l’hétérogénéité de réponses suite à la délétion d’un gène essentiel. Après validation de cette approche, je l’ai utilisée pour aborder une question fondamentale concernant le devenir de cellules mutatrices . Ces cellules, au taux de mutation anormalement élevé, sont présentes dans des contextes variés : environnements stressants, cancer et dans des populations évoluant en laboratoire. Beaucoup de mutations étant délétères, ces populations font face à une perte de compétitivité parfois désignée « fardeau mutationnel ». En parallèle, le caractère mutateur crée une plus grande hétérogénéité génomique qui augmente le potentiel adaptatif des mutateurs. Les populations de mutateurs font donc face à un compromis entre potentiel adaptatif et fardeau ; ce fardeau est modelé par différents facteurs : environnement, taille de population, taux de mutation, espèce… En utilisant l’approche expérimentale que j’ai developpée, j’ai observé très finement les propriétés phénotypiques de populations de mutateurs faisant face à un fardeau mutationnel. Ces propriétés varient selon les conditions environnementales.
English version :
Single-cell optogenetic analysis of the immediate responses to sudden genetic modifications in Saccharomyces cerevisiae
The way by which mutations allow living organisms to adapt their physiology is complex, dynamic and heterogeneous. It is also a fundamental process of natural evolution. Genetic studies are usually based on populations of mutants that are characterized several generations after the mutation of interest occurred. The early response of cells to genetic changes is therefore rarely known. Here I quantified the immediate effects of a de novo genetic alteration on individual yeast cells. To achieve this, I combined two pre-existing technologies, one from biology and one from physical-chemistry. The first one is an optogenetic enzyme called LiCre which is able to recombine specific DNA sites when activated by blue light. The second one is a digital microfluidics setup, where single yeast cells are encapsulated in droplets and monitored over time. With this technology, hundreds of single-cell seeded microcolonies can be tracked over time to quantify their growth and biomass yield.
First, I contributed to the characterization of LiCre in terms of kinetics properties and in vivo applications. Then, to demonstrate the relevance of the LiCre/microfluidics association, I described the dynamics and heterogeneity of responses after a de novo deletion of an essential gene. After validation of this approach, I used it to tackle a fundamental question concerning the fate of mutator cells. With an elevated mutation rate, mutator cells are present in various contexts: stressful environments, cancer, and laboratory-evolution populations. Since many mutations are deleterious, these populations face a loss of fitness, sometimes called “mutational burdened”. Alongside, the mutator phenotype causes higher genomic heterogeneity, which raises adaptive potential of mutator cells. This trade-off between burden and potential to adapt is shaped by various factors: environment, population size, mutation rate, species… Using the approach I developed, I observed experimentally the fine-scale phenotypic properties of mutator populations facing mutational burden. These properties differ across environmental conditions.
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