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Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : Fabriquer et cultiver des « embryons » in vitro : un état des lieux, cadres éthique et légal

Emmanuelle Rial-Sebbag : Modèles embryonnaires : quelles conditions juridiques pour leur usage en recherche ?

Intervenant(s)

Emmanuelle Rial-Sebbag, CERPOP, Inserm, Université Paul Sabatier, Toulouse

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : Fabriquer et cultiver des « embryons » in vitro : un état des lieux, cadres éthique et légal

Jean-François Guérin : Quel statut éthique pour les modèles embryonnaires (embryoïdes) humains ?

Intervenant(s)

Jean-François Guérin, Conseil d'orientation de l'Agence de la Biomédecine, Lyon

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

03 - La fabrique des « embryons » : Les gastruloïdes humains ; un ersatz d'embryon incomplet mais pratique

Résumé

Les gastruloïdes ; définition, production, caractérisation et comparaisons souris/humains. Des gastruloïdes comme objets d'étude et comme tubes à essai.

Cette troisième leçon commence par un bref historique de la production de gastruloïdes et de leur caractérisation initiale. Puis, l'adaptation du « protocole souris » à la production de gastruloïdes humains est discutée, ainsi que la caractérisation de ces gastruloïdes humains par une approche tomographique d'analyse des ARNs (Tomo-seq). Cette même approche permet de comparer les gastruloïdes humains et murins, au niveau de la coordination de l'expression globale des ARNs et, bien que l'aspect général soit bien conservé entre ces deux espèces, des différences notables sont toutefois observées.

La leçon se poursuit par la discussion de deux travaux récents. Le premier illustre comment évaluer de façon assez objective les différentes fonctions de la protéine BMP4 sur les voies de différenciation cellulaires pendant le développement des gastruloïdes. Le second montre comment de tels pseudo-embryons peuvent être utilisés comme tubes à essai pour analyser une question importante touchant à la régulation génétique de l'expression de gènes essentiels pendant le développement embryonnaire, un problème souvent difficile à résoudre en utilisant de vrais embryons.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

02 - La fabrique des « embryons » : La culture d'embryons ex-utero et la fabrication de blastoïdes humains

Résumé

Quelques notions d'embryologie comparée, cellules ES et cellules iPS comme matériel de base pour fabriquer des pseudo-embryons. Culture d'embryons à long terme ex-utero ; production de blastoïdes humains, efficacité, tests d'implantation in vitro, comparaison avec la souris.

Cette deuxième leçon commence par la description de quelques différences entre le développement précoce des embryons de souris et d'humains, puis par un rappel de la fonction globale de la gastrulation dans l'organisation spatiale des feuillets embryonnaires. Ensuite, un nouveau protocole est décrit qui permet de faire pousser en culture des embryons murins pré-gastrulation jusqu'à un stade fœtal avancé permettant ainsi un suivi in vitro de la morphogenèse, une approche encore impossible il y a quelques années.

La leçon se poursuit par un rappel de l'origine et des potentialités des cellules souches embryonnaires ESCs et des cellules reprogrammées iPSCs, qui sont à la base de la production de pseudo-embryons. Puis, le premier type de pseudo-embryons, les blastoïdes, est décrit et les protocoles utilisés soit chez les rongeurs, soit chez les humains sont comparés. Les cellules souches humaines sont capables par elles-mêmes de s'autoorganiser et de produire de tels modèles de blastocystes avec une fréquence élevée. En utilisant un système d'implantation in vitro basé sur des organoïdes d'endomètre utérin, il apparaît même que ces blastoïdes humains peuvent s'implanter dans une muqueuse utérine après une stimulation hormonale.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

01 - La fabrique des « embryons » : L'embryon humain est-il un embryon mammifère ?

Résumé

Après une introduction générale au contenu du cours et à ses objectifs, quelques bases du développement des embryons humains seront discutées afin de faire ressortir les similitudes et les différences avec d'autres systèmes modèles mammifères. Pourquoi étudier l'embryon humain alors que nous avons accès à des modèles animaux qui en principe sont proches de nous d'un point de vue évolutif ; l'embryon humain ne serait-il pas un embryon mammifère ? Et pourquoi dépenser autant de financements, de compétences et d'énergie pour faire pousser des embryoïdes en culture ? La source biologique de ces ersatz d'embryons, à savoir les cellules embryonnaires souches, sera également discutée à la fois comme point de départ de l'embryon synthétique, mais également d'un point de vue comparatif entre espèces.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Olivier Pourquié : Metabolic Control of Developmental Timing

Intervenant(s)

Olivier Pourquié, Harvard University, Boston

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Pierre Vanderhaeghen : Timing Mechanism Linking Development and Evolution of the Human Brain

Intervenant(s)

Pierre Vanderhaeghen, VIB, KU Leuven, Belgium

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

James Briscoe : About Time: The Dynamics of Neural Tube Development

Intervenant(s)

James Briscoe, Crick Institute, London

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Claude Desplan : Temporal Patterning and Connectivity in the Nervous System

Intervenant(s)

Claude Desplan, NUY, New York

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Thomas Gregor : From Molecule Dynamics to Tissue Differentiation During Early Embryonic Development

Intervenant(s)

Thomas Gregor, Pasteur Institute Paris and Princeton University

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Jean-Léon Maître : Mechanics of Blastocyst Morphogenesis

Intervenant(s)

Jean-Léon Maître, Curie Institute, Paris

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Colloque : Les temps du développement embryonnaire/The Times of Embryonic Development

Denis Duboule : Welcome

Intervenant(s)

Denis Duboule, Professeur du Collège de France

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : Fabriquer et cultiver des « embryons » in vitro : un état des lieux, cadres éthique et légal

Nicolas Rivron : Pourquoi diable et comment forme-t-on des modèles d'embryons humains en laboratoire ?

Intervenant(s)

Nicolas Rivron, IMBA, Vienne Autriche

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

05 - Les temps du développement embryonnaire

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

04 - Les temps du développement embryonnaire : L'horloge de segmentation, oscillateur cellulaire, front de détermination et différences de périodes (suite et fin). Introduction au « timer Hox »

Cette quatrième leçon débute par un rappel des éléments essentiels discutés lors du cours précédent : de l'origine du mésoderme à la condensation progressive des somites le long de l'axe antéro-postérieur. Les mécanismes de l'oscillateur cellulaire qui sous-tend l'horloge de segmentation sont brièvement rappelés ainsi que les voies de signalisation impliquées. Ensuite, un modèle est présenté qui explique le front de détermination, avec une source de Fgf8 dans la partie la plus postérieure. Les ARNs sont produits dans ces cellules postérieures pour être ensuite dégradés progressivement, construisant de la sorte un gradient de Fgf8 dont l'une des concentrations précises pourrait établir le front de détermination. Puis la question des différentes périodes de l'horloge chez différents animaux vertébrés est discutée, avec comme conclusion générale que cette période est fonction d'une activité métabolique propre à chaque espèce et en principe liée à la masse des individus (de façon non linéaire, selon la loi de Kleiber). Finalement, le système des gènes Hox est présenté comme introduction à la discussion du « timer Hox » qui fera l'objet du dernier cours de cette année 2022-2023.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

03 - Le temps morphogénétique ; exemple de la segmentation de l'axe principal chez les vertébrés, somitogenèse, embryologie et fonctionnalités des somites, horloge de segmentation, prédiction théorique et mécanisme

Cette leçon débute par un rappel d'embryologie fondamentale touchant en particulier à l'origine des trois feuillets embryonnaires (ectoderme, mésoderme et endoderme) et à leurs dérivés. Ensuite, la formation des somites et leur différenciation en différentes parties est discutée, avant de passer à la description de l'horloge somitique, d'abord d'un point de vue théorique (modèle du « clock and wavefront »), pour ensuite décrire les mécanismes en jeu, découverts dans les années 1990. Il est surtout question des mécanismes intervenant dans la production d'oscillateurs cellulaires et de leurs mises en phase, ainsi que de quelques résultats décrivant les raisons possibles des différences importantes dans les périodes de ces oscillateurs au sein d'espèces différentes de vertébrés.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

02 - Le temps des différenciations cellulaires : exemples de cellules souches neurales chez l'embryon et la larve de Drosophile et dans le système visuel (médulla). Progressions temporelles vers des types cellulaires différents, notion d'« identité tempor

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

01 - Les temps du développement embryonnaire : Introduction générale, contexte, différenciation dans le temps des cellules souches neurales (neuroblastes) de Drosophila Melanogaster, notion d'« identité temporelle »

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2022-2023

Leçon inaugurale - Denis Duboule : Les temps de l'embryon

Date : 11 mai 2023

Résumé

Le développement des embryons est avant tout une affaire de temps, de multiples référentiels temporels, d'horloges, d'oscillations qui s'enchevêtrent les unes dans les autres pour générer de l'espace et des formes. Comment ces temps sont-ils matérialisés dans les substrats biologiques, où l'embryon va-t-il les chercher et comment les interpréter ? Cette leçon inaugurale discutera de ce nouveau champ d'étude et également des approches technologiques récentes qui permettent aujourd'hui d'embrasser ces questions en produisant et en cultivant des embryons in vitro. Car en effet, nous ne sommes plus très loin de pouvoir concevoir et faire croître des embryons intégralement ex utéro, sans même avoir recours à des cellules germinales, ce qui représenterait un changement sans précédent de notre société, aux impacts encore difficiles à évaluer. Opportunité égalitaire ou dérive dystopique ? Il est temps pour notre société de s'occuper de ses embryons.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la cinquième leçon, l'expression des gènes Hox lors du développement de la nageoire pédonculée du poisson à poumon australien Neoceratodus forsteri est décrite à partir de deux études dont les conclusions sont quelque peu différentes. Ensuite, un schéma d'apparition de l'autopode basé sur l'une de ces deux études est discuté. Puis, la régulation fine des gène Hoxd pendant le développement du membre chiridien est décrite au niveau de la structure de la chromatine et des enhancers proximaux et distaux.

La présence de cette organisation particulière des paysages de régulation n'est pas observée chez le lancelet (amphioxus), un animal céphalochordé, mais est visible chez le poisson zèbre. Toutefois, l'analyse fonctionnelle de ces paysages de régulation téléostéens chez la souris ne révèle pas de capacité d'expression dans la partie la plus distale des membres, suggérant que si les structures de régulations nécessaires au déploiement des gènes Hox sont déjà présentes chez le poisson zèbre, les enhancers à potentiel distal ne sont pas présent. Par conséquent, à ce niveau d'homologie super-profonde, les poissons osseux ne semblent pas avoir de doigts ou des structures qui pourraient y être assimilées.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la troisième leçon, concernant en particulier le développement de la nageoire pectorale du poisson-zèbre et des deux types de squelettes qui la composent (endo- et exo-), l'utilisation de gènes marqueurs apparaît nécessaire pour essayer d'approfondir les homologies possibles avec le membre antérieur des tétrapodes. Comme marqueurs et déterminants de l'axe proximo-distal, les gènes Hox sont discutés et leur dynamique d'expression pendant le développement du membre chiridien est examinée en détail. Ensuite, le point est fait sur l'existence de ces gènes chez les poissons et leur expression est décrite dans le bourgeon de nageoire à différents stades.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la troisième leçon, concernant en particulier le développement de la nageoire pectorale du poisson-zèbre et des deux types de squelettes qui la composent (endo- et exo-), l'utilisation de gènes marqueurs apparaît nécessaire pour essayer d'approfondir les homologies possibles avec le membre antérieur des tétrapodes. Comme marqueurs et déterminants de l'axe proximo-distal, les gènes Hox sont discutés et leur dynamique d'expression pendant le développement du membre chiridien est examinée en détail. Ensuite, le point est fait sur l'existence de ces gènes chez les poissons et leur expression est décrite dans le bourgeon de nageoire à différents stades.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un rappel des notions importantes développées lors de la deuxième leçon, en particulier concernant les approches génétiques et cellulaires du développement des membres chiridiens, cette troisième leçon commence par une discussion sur la difficulté de trouver de bons poissons modèles pour étudier le développement de la nageoire. Puis, le poisson-zèbre est présenté et le développement de ses nageoires pectorales discuté en détail. Alors que la phase précoce de ce développement ressemble à celle présentée précédemment chez les amniotes, le repliement de la couche ectodermique et la formation d'un exosquelette dans la partie le plus distale distingue clairement les développements des membres ptérygiens et des membres chiridiens. L'origine cellulaire de cet exosquelette, absent chez les tétrapodes, est ensuite discutée ainsi que son interaction avec l'endosquelette, le moment précis du repliement de la couche ectodermique ajustant peut-être les importances respectives de ces deux types de pièces osseuses.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : Fabriquer et cultiver des « embryons » in vitro : un état des lieux, cadres éthique et légal

Alain Chédotal : Un atlas cellulaire pour cartographier l'embryon humain en 4 dimensions

Intervenant(s)

Alain Chédotal, Institut de la vision, Paris, et MeLIS Lyon

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Après un bref rappel à la fois de la question fondamentale posée dans ce cours et des notions importantes développées lors de la première leçon, cette deuxième leçon commence par une discussion sur le concept d'homologie et sur les différentes profondeurs (structure, expression des gènes, mécanismes fins...) qui doivent être considérées lorsque l'on essaie d'établir des correspondances évolutives entre des structures aussi différentes que les parties les plus distales des membres ptérigiens et chiridiens. Ensuite, après quelques notions d'embryologie classique, un résumé des grandes étapes du développement des membres des tétrapodes est présenté, avec un accent particulier mis sur les réseaux génétiques impliqués. Puis, deux approches plus cellulaires sont décrites. La première concerne l'analyse des séquences des condensations de cellules cartilagineuses qui conduiront à l'organisation des pièces osseuses, et la conservation de cette séquence d'évènements chez les vertébrés amniotes. La seconde présente un développement technologique récent (séquençage des ARNs au niveau de cellules uniques) appliqué au membre chiridien, qui dès lors permet une redéfinition des linéages cellulaires et de leurs dynamiques dans le temps avec une très grande précision analytique. Ces avancées récentes vont-elles donner un nouvel éclairage à la question de la transformation d'une nageoire ancestrale d'un poisson sarcoptérigien vers le membre tétrapode actuel ?

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2021-2022

Gènes du développement et évolution. La transition des nageoires aux membres des tétrapodes

Ce cours portera sur l'implication des mécanismes de régulation des gènes du développement dans l'évolution des structures chez les vertébrés. En effet, alors que la sélection naturelle des formes biologiques les plus appropriées s'explique par la théorie de l'évolution, la production de la diversité de ces formes (la variation) reste encore à intégrer dans cette théorie. Plusieurs mécanismes touchant à notre patrimoine génétique sont probablement impliqués, tels que l'apparition de mutations dans des gènes importants, des remaniements chromosomiques, des sauts d'éléments transposables ou des modifications plus ou moins subtiles des systèmes complexes de régulations des gènes. Ce cours abordera certains de ces aspects en utilisant comme structure modèle les membres des vertébrés, ces appendices qui nous ont permis de coloniser le milieu terrestre à la période du dévonien, il y a quelque 370 Mio d'années, à la suite d'une série d'événements extraordinaires qui conduisirent à leur émergence à partir de nageoires ancestrales. La compréhension fine que nous avons aujourd'hui de la régulation des gènes qui construisent nos membres chez l'embryon nous permet-elle de proposer un schéma évolutif moléculaire de cette transition majeure qui a marqué l'apparition des tétrapodes et, par conséquent, celle des Homo sapiens quelques centaines de millions d'années plus tard ?

Dans cette première leçon, le contenu général du cours et ses objectifs sont définis. Il s'agira de traiter d'une des transitions morphologiques les plus importantes au sein des vertébrés, celle qui conduisit à l'apparition du membre archétype (chiridien) des tétrapodes (nos bras et nos jambes) à partir d'une structure ancestrale de type nageoire (membre ptérygien). Cette question très ancienne peut aujourd'hui être revisitée grâce à la fois aux outils les plus récents de la génétique moléculaire et de la génomique, à l'accès facilité (par la technologie) à l'étude d'espèces non modèles mais informatives grâce à leurs positions phylogénétiques, et également grâce à l'évolution des outils conceptuels utilisés dans ce domaine. L'objectif sera donc de faire le point sur les différentes théories et conclusions et d'essayer ainsi de reconstruire cette étape évolutive critique, qui a sans doute contribué à la colonisation du milieu terrestre.

Le cours commence avec un rappel de l'importance de cette question et de la nécessité d'une approche multidisciplinaire. Ensuite, cette transition évolutive est placée dans un contexte paléontologique (le dévonien supérieur) et la phylogénie des animaux impliqués dans cette transformation est discutée. Les fossiles essentiels sont brièvement présentés ce qui conduit directement à poser la question fondamentale des « homologies », à la fois entre les pièces osseuses des membres des poissons sarcoptérigiens, et entre celles-ci et les os qui composent le membre chiridien des tétrapodes.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Dans cette sixième et dernière leçon, la fonction et la régulation des gènes HoxD pendant le développement des membres sont abordées, avec comme point de départ la production en 1990 de la souche de souris mutantes Ulnaless (Ul), une mutation causant une dysplasie mésomélique sévère. Cette réduction presque complète des os de la partie intermédiaire des membres accompagnée de déformations importantes est également observée chez des patients humains, exprimée comme un trait autosomique dominant. La caractérisation de cette inversion Ulnaless qui contient le cluster HoxD murin conduit peu à peu à la compréhension des mécanismes impliqués dans la production de ces altérations, révélant ainsi des points fondamentaux qui touchent au contrôle de l'expression de ces gènes et à leurs fonctions dans les membres. Ces études chez la souris conduisent à la formulation d'un schéma explicatif inclusif permettant d'expliquer les causes moléculaires des cas de dysplasies mésoméliques familiales associées au chromosome humain 2q31, le locus contenant ce même cluster de gènes HoxD chez les humains.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Au cours de cette cinquième leçon, la régulation à longue distance du gène Shh est abordée, d'abord par la description du travail conduisant à la caractérisation de la ZRS, la séquence principale impliquée dans l'expression de ce gène dans les membres. Ensuite, différents types de mutations touchant cette séquence ZRS sont décrits, qui tous conduisent à un phénotype de polydactylie préaxiale par lequel les doigts antérieurs (le pouce) sont généralement dupliqués ou affectés. Le mécanisme de contact entre cette séquence et le gène cible Shh qui est localisé à une distance de 1 million de paires de bases (1Mb) est alors discuté à la lumière d'un modèle d'« extrusion de boucles d'ADN » impliquant la protéine CTCF et le complexe de la cohésine. Dans ce contexte, l'analyse de patients acheiropodes (sans pieds ni mains) est riche d'enseignements et illustre l'existence d'éléments de contact (tethering elements) dont l'unique fonction semble être de construire des architectures chromatiniennes qui elles-mêmes favoriseront des rapprochements entre des séquences de régulations et leurs gènes cibles.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Dans cette troisième leçon, après un rappel des mécanismes de croissance et de spécification des trois axes de polarités des bourgeons de membres, les notions de « séquence enhancer » et de « pleïotropie » sont discutées à partir du cas d'école de l'épinoche à trois épines. Ensuite, après quelques remarques sur la prévalence en Europe des malformations congénitales des membres et leurs classifications, le syndrome de Liebenberg est présenté – une malformation des bras qui, à plusieurs égards, ressemblent à des jambes – ainsi que les raisons l'associant au gène PITX1. Une explication possible de son étiologie moléculaire est alors proposée, qui conduit à l'analyse détaillée de la régulation complexe de ce gène chez la souris. Ces expériences font appel à des technologies récentes d'analyse de la chromatine qui sont brièvement introduites avant de passer à l'étude de ce locus génétique.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Dans cette troisième leçon, après un rappel des mécanismes de croissance et de spécification des trois axes de polarités des bourgeons de membres, les notions de « séquence enhancer » et de « pleïotropie » sont discutées à partir du cas d'école de l'épinoche à trois épines. Ensuite, après quelques remarques sur la prévalence en Europe des malformations congénitales des membres et leurs classifications, le syndrome de Liebenberg est présenté – une malformation des bras qui, à plusieurs égards, ressemblent à des jambes – ainsi que les raisons l'associant au gène PITX1. Une explication possible de son étiologie moléculaire est alors proposée, qui conduit à l'analyse détaillée de la régulation complexe de ce gène chez la souris. Ces expériences font appel à des technologies récentes d'analyse de la chromatine qui sont brièvement introduites avant de passer à l'étude de ce locus génétique.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Dans cette deuxième leçon, après un bref rappel des mécanismes conduisant au positionnement des membres et à l'initiation de leur croissance, le phénomène de la croissance soutenue et de l'extension des bourgeons de membres ainsi que les bases moléculaires de leur organisation morphogénétique en trois grands segments sont discutés, en particulier l'existence de boucles de régulations rétroactives qui assurent à la fois le bon dimensionnement des membres et la fin de leur croissance. Ensuite, les bases génétiques des différentes polarités (proximo-distale, antéro-postérieure et dorso-ventrale) sont décrites en insistant à chaque reprise sur le rôle clé de certains gènes. Finalement, la question essentielle des différences souvent importantes qui existent entre les membres antérieurs et postérieurs est discutée, dans des perspectives développementale et évolutive, et la fonction importante du gène PITX1 dans ce contexte est évoquée. Le cours se termine par un rappel des notions de « séquence enhancer » et de « pleïotropie », deux éléments essentiels à intégrer pour aborder la suite de ce cours.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2020-2021

Régulation des gènes du développement et syndromes génétiques : mécanismes, contraintes et atavismes

Dans cette première leçon, le périmètre général du cours est défini ainsi que ses objectifs. Il s'agit d'utiliser le système du développement embryonnaire des membres et leur évolution pour montrer à quel point une approche pluridisciplinaire regroupant l'embryologie classique, la génétique humaine et les avancées récentes de la biologie moléculaire et de la génomique peut nous éclairer sur les mécanismes intimes dont les dérangements sont à la source de nombreuses anomalies congénitales. S'en suit une introduction générale au développement des membres et à leur valeur épistémique particulière en tant que système modèle en embryologie expérimentale, depuis plus de 60 ans, en relevant en particulier leur grande flexibilité adaptative, bien que devant composer avec des contraintes de constructions inévitables. Ensuite, les questions du positionnement des membres sur l'axe corporel de l'embryon et de l'initiation de leur croissance sont discutées.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2019-2020

Régulation génétique et développement : les séquences enhancers

Dans ce quatrième et dernier cours, le Pr Denis Duboule décrit les différents types de paysages d'enhancers intégrés, contenant soit des enhancers ayant des spécificités identiques, soit des enhancers à spécificités complémentaires, soit encore des super-enhancers dont les activités s'additionnent pour conduire à une stimulation transcriptionelle maximale de gènes cibles particuliers. Ensuite, il présente rapidement les fondements moléculaires du fonctionnement des enhancers, depuis l'arrivée de facteurs pionniers qui vont ouvrir la chromatine jusqu'au démarrage de la transcription du gène cible en passant par la formation d'une boucle spatiale. Une étude est ensuite présentée qui concerne l'évolution des séquences enhancers et promoteurs au sein de vingt espèces différentes de mammifères et qui relève des différences essentielles dans l'origine évolutive et le fonctionnement de ces deux types de séquences. Finalement, le cours se termine sur la description de plusieurs types de problèmes liés soit au mauvais fonctionnement des enhancers, soit à leur absence ou à leur déplacement topologique suite à des remaniements chromosomiques. Ces différentes situations pathologiques sont illustrées par de nombreux syndromes génétiques humains, ce qui montre à quel point la façon dont les gènes sont régulés pendant notre développement et notre vie de tous les jours est au moins aussi importante que l'intégrité des gènes eux-mêmes.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2019-2020

Régulation génétique et développement : les séquences enhancers

Dans ce troisième cours, le Pr Denis Duboule décrit les approches pour identifier les séquences enhancers par profilages épigénétiques et analyse de l'accessibilité de la chromatine. L'évolution de ces technologies est décrite avec quelques exemples de leur application. Ces approches soulèvent la question de l'attribution de telle ou telle séquence enhancer à un ou des gènes cibles particuliers. Pour répondre à cette question, les technologies de capture de conformations chromosomiques sont également présentées, avec la description et définition des domaines d'association topologique (TADs), qui reflète un niveau structurel de la chromatine. Ces domaines correspondent souvent à de grands domaines de régulations (paysages de régulations) comportant à la fois des gènes cibles et les enhancers qui les régulent, de façon à maximiser les contacts entre ces différents éléments. A cette occasion, l'exemple du cluster de gènes architectes HoxD est présenté. Cet exemple introduit à la notion de régulation à grande distance, qui est dès lors illustrée par un cas de figure historique, à savoir la régulation du gène sonic hedgehog (Shh) par une séquence de régulation (ZRS) se trouvant localisée à 1 mégabase de son gène cible et à l'intérieur de l'intron d'un autre gène (lmbr1). Le contact enhancer-promoteur nécessaire se produit en partie grâce au domaine topologique qui contient ces différentes séquences et également à l'aide de sites d'ADN liés par la protéine CTCF.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : Fabriquer et cultiver des « embryons » in vitro : un état des lieux, cadres éthique et légal

Denis Duboule : Introduction

Intervenant(s)

Denis Duboule, Professeur du Collège de France

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2019-2020

Régulation génétique et développement : les séquences enhancers

Dans ce deuxième cours, le Pr Denis Duboule décrit les approches originales impliquant des pièges à enhancers, d'abord chez la mouche drosophile en utilisant l'élément P comme vecteur, puis chez la souris en passant par la route des cellules souches embryonnaires (ES). Il montre ensuite comment l'outil de détection principal (le gène lacZ) fut intégré dans ces stratégies expérimentales et comment ces approches ont évolué pour conduire à des stratégies actuelles plus performantes, permettant de découvrir les enhancers présent à l'intérieur d'un paysage de régulation déterminé au préalable. Se pose ensuite la question de pouvoir associer un enhancer particulier à un ou à des gène(s) cible(s) et l'importance de ce problème est illustrée par un cas de figure particulièrement parlant, à savoir la présence d'un enhancer du gène 'gremlin' à l'intérieur d'un gène voisin, provoquant ainsi une situation qui resta confuse pendant de nombreuses années avant d'être résolue.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution des génomes et développement (chaire internationale)

Année 2019-2020

Régulation génétique et développement : les séquences enhancers

Dans ce premier cours, le Pr Denis Duboule présente le contexte général et historique qui explique les raisons pour lesquelles ces petites séquences d'ADN sont devenues un objet d'études aujourd'hui très important. La raison principale étant le rôle clé que jouent ces séquences dans la régulation génétique, qui elle-même prend de plus en plus de place dans notre considération des mécanismes responsables à la fois de notre développement embryonnaire et de notre évolution. Puis, les circonstances historiques conduisant à la découverte de ces séquences sont décrites, ainsi que les premières approches utilisées au début des années 1990 afin de localiser et d'identifier des séquences d'ADN ayant cette propriété remarquable de potentialiser l'expression de gènes cibles.

Denis Duboule

Évolution des génomes et développement (2017-2022)

Collège de France

Année 2017-2018

Leçon inaugurale - Denis Duboule : Évolution des génomes et développement

Date : 8 février 2018

Résumé

L'étude du développement d'un organisme vivant de sa conception à sa naissance ou de l'évolution de ses parcours embryonnaires a fait ces dernières années des bonds extraordinaires, grâce notamment aux outils de la génétique et de la génomique. Ces avancées ouvrent de larges perspectives en termes de compréhension des mécanismes du vivant mais aussi de possibilités de réparer voire de modifier, allant jusqu'à imaginer un homme futur génétiquement augmenté. Pourtant, la compréhension de la manière dont notre patrimoine génétique est mis en oeuvre reste encore très partielle et la perception de ces évènements par la société est confuse.

Reconnaissant l'émergence rapide de ces avancées scientifiques et les bouleversements qu'elles impliquent, en terme de paradigmes, d'approches, de croisement des disciplines et de nouveaux horizons, le Collège de France a nommé Denis Duboule, l'un des chercheurs les plus reconnus dans le domaine de la génétique du développement, titulaire d'une nouvelle chaire internationale : Évolution des génomes et développement.

Directeur du laboratoire de Morphogenèse Moléculaire à l'Université de Genève et du laboratoire de Génomique du Développement à l'Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, Denis Duboule et ses équipes travaillent sur les mécanismes de régulations génétiques qui sous­‐tendent le développement des mammifères, incluant des interfaces avec la génétique médicale, la biologie de l'évolution et la régulation de la transcription.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : The Making of "Embryos" in Vitro: State of the Art

Barbara Treutlein : Understanding Human Brain Development with Organoids and Single-Cell Analysis

Intervenant(s)

Barbara Treutlein, ETH, Zurich, Suisse

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : The Making of "Embryos" in Vitro: State of the Art

Jacob Hanna : Synthetic Ex Utero Embryogenesis: From Naive Stem Cell to Complete Embryo Models

Intervenant(s)

Jacob Hanna, Weizmann Institute of Science, Rehovot Israel

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : The Making of "Embryos" in Vitro: State of the Art

Alfonso Martinez-Arias : The Human Embryo: A Changing Perspective

Intervenant(s)

Alfonso Martinez-Arias, ICREA Universidad Pompeu Fabra, Barcelona

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

Colloque : The Making of "Embryos" in Vitro: State of the Art

Denis Duboule : Welcome

Intervenant(s)

Denis Duboule, Professeur du Collège de France

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2023-2024

04 - La fabrique des « embryons » : Les pseudo-embryons « intégrés » de type SEM. Fabrication et potentiel futur

Résumé

Pseudo-embryons intégrés ; définition, caractérisation et comparaison souris/humains. Potentiel expérimental et quelques questions éthiques et sociales.

Cette quatrième leçon traite de la forme la plus aboutie parmi les différents pseudo-embryons humains traités dans ce cours 2024, les embryoïdes intégrés de type SEM (modèles d'embryons dérivés de cellules souches). Après quelques définitions, des expériences conduisant aux conditions de production de ces embryoïdes sont décrites. Ensuite, l'analyse de ces pseudo-embryons intégrés est discutée, impliquant à la fois des marquages cellulaires à l'aide d'anticorps spécifiques, des analyses d'ARN en cellules uniques et des approches telles que l'ATAC-seq. Quelques conclusions générales sont données, la principale étant que ces objets biologiques portent beaucoup de ressemblance avec des embryons humains réels, comme le montre également la présence de types cellulaires très spécialisés. Cependant, ces embryoïdes ne regroupent pas l'ensemble des caractéristiques nécessaires pour les faire considérer comme de vrais embryons humains. Néanmoins, ces embryoïdes intégrés de type SEM seront probablement de vrais atouts dans notre compréhension de certains mécanismes du développement des humains, qui restent jusqu'à présent inaccessibles pour des raisons de logistique et d'éthique.

La leçon (et le cours) se termine par une discussion rapide de quelques éléments touchant aux cadres éthique et légal associés à ces nouvelles technologies et à leurs utilisations potentielles dans le futur.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

01 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Introduction générale, contexte historique

Résumé

Introduction et objectifs du cours. Une brève histoire de la découverte des séquences enhancers, importance de ce nouveau concept en relation avec la notion d'équivalence génomique. Approches (passées et récentes) de détection de telles séquences ainsi que quelques tests fonctionnels.

Cette année, le cours a comme objectif de traiter des développements les plus récents dans le domaine de la régulation des gènes du développement par l'entremise de séquences « enhancers ». Après une introduction générale sur la raison d'être de ces séquences de régulation et quelques points historiques touchant à la pleïotropie ainsi qu'à la découverte des enhancers eux-mêmes au début des années 1980, cette première leçon présente et discute certaines des façons d'isoler de telles séquences ainsi que les tests fonctionnels qui permettent de leur attribuer le qualificatif de « séquence enhancer ». En particulier, les systèmes de « reporter genes » sont décrits, basés soit sur l'activation du gène LacZ, soit de gènes codant pour des protéines fluorescentes. Les avantages et les inconvénients de ces approches alternatives sont discutés.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

02 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Fonctionnement des séquences « enhancer »

Résumé

Approches (passées et récentes) de détection de telles séquences enhancers. Pièges à enhancers et méthodes de criblage à haut débit. Quelques exemples, en particulier de l'analyse dynamique d'une trajectoire de régulation.

Dans cette deuxième leçon, après un bref rappel de quelques définitions, des méthodes sont présentées qui permettent d'identifier des « enhancers » sans introduire de biais particulier au départ. Ces méthodes dérivent toutes de l'approche par « piège à enhancers », dans des versions actualisées par les développements technologiques récents (STARR-seq). Quelques avantages et inconvénients de ces approches sont discutés.

Ensuite, les systèmes de détection de l'activité « enhancer » utilisés actuellement chez les mammifères sont décrits, de la production de souris transgéniques par simple injection, à des systèmes d'agrégations de cellules ES qui permettent des analyses plus rapides. L'utilisation de la capacité des cellules ES à être réintroduites dans des embryons, voire même à les former entièrement, est ensuite discutée à l'aide de quelques exemples récents.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

03 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Fonctionnement des séquences « enhancer » (suite)

Résumé

Détection d'enhancers par approches épigénétique et de structure de chromatine, approche multiome, mécanismes de fonction des enhancers pour initier la transcription d'un gène cible.

Dans cette troisième leçon, les différentes approches de profilages épigénétiques sont expliquées, ainsi que leurs relations avec les différents états fonctionnels de la chromatine. Les méthodes actuelles impliquant la capture des interactions chromosomiques dans le but d'établir la topologie de la chromatine sont alors décrites.

Ensuite, les mécanismes potentiels utilisés pour rapprocher les enhancers de leurs promoteurs cibles sont abordés (modèle du « loop extrusion ») et intégrés dans une présentation globale (simplifiée) des événements conduisant au démarrage de la transcription d'un gène cible par l'agrégation successive de facteurs. La spécificité cellulaire de ce processus se trouve dans les facteurs associés à l'enhancer, donc à sa séquence ADN.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

05 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Logique et grammaire des séquences « enhancer »

Résumé

Types de paysages de régulations. Analyse des architectures chromatiniennes au niveau de la cellule unique par microscopie à super résolution.

Dans cette cinquième leçon, différents types d'organisation topologiques d'enhancers sont décrits, en particulier ceux permettant une expression pleïotropique du gène cible. Comment différents enhancers disposés dans le même domaine chromatinien peuvent être mobilisés dans des combinaisons différentes, avec des spécificités spatio-temporelles distinctes ?

Ensuite la question de l'analyse des architectures chromatiniennes au niveau de la cellule unique est posée, puisque les analyses courantes traitent d'un ensemble de cellules et donnent donc une représentation combinée d'un ensemble de possibilités, exclusives les unes des autres pour un allèle donné. Une étude est présentée qui utilise la microscopie à super résolution (STORM) pour établir le nombre de configurations possibles et leurs représentativités au locus du gène Sonic hedgehog (Shh).

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

04 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Éléments transposables et séquences « enhancer » ?

Résumé

L'origine possible des séquences enhancer au cours de l'évolution sera discutée, ainsi que le recrutement potentiel d'une séquence particulière préexistante pour accomplir une fonction supplémentaire (co-option). L'utilisation d'éléments transposables comme séquences de régulations semble aujourd'hui être une source importante de variations d'expression génique, des variations ayant peut-être accompagné l'émergence de nouveaux traits morphologiques ou physiologiques au cours de l'évolution.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

06 - Régulation des gènes du développement embryonnaire ; séquences « enhancer » : Évolution des séquences de régulation

Résumé

Différents mécanismes conduisant au rapprochement des enhancers de leurs gènes cibles. Dépendance et non-dépendance à CTCF. Pathologies induites par des causes impliquant des enhancers (enhanceropathies) et fonction des éléments transposables dans l'évolution des régulations génétiques.

Dans cette sixième et dernière leçon, différents mécanismes permettant de rapprocher des séquences régulatrices de leurs gènes cibles sont discutés. Alors que certains de ces mécanismes dépendent de la présence de CTCF, d'autres en sont indépendants.

Ensuite, la discussion porte sur les enhanceropathies, i.e., les pathologies dérivant de problèmes liés aux séquences régulatrices et non aux gènes eux-mêmes. Des exemples sont montrés, qui illustrent différentes catégories de telles pathologies, de l'absence pure et simple d'un enhancer à des remaniements complexes du génome qui affectent les contacts entre enhancers et promoteurs. Le cours se termine sur un bref aperçu de l'importance critique des éléments transposables dans l'évolution des régulations.

Denis Duboule

Collège de France

Évolution du développement et des génomes

Année 2024-2025

Colloque : Enhancers Sequences and Gene Regulation

Alex Stark : Decoding Transcriptional Regulation

Intervenant(s)

Alex Stark, IMP, Vienna BioCenter, Vienna, Austria