Variation génétique et formation des systèmes nerveux individuels - identification et caractérisation des variants génétiques naturelles affectant l'identité des neurones photorécepteurs dans la rétine adulte de la drosophile // fly individuality project

Topic description

Comment les différences génétiques entre individus conduisent-elles au développement de systèmes nerveux distincts ?
Ce projet de doctorat aborde cette question fondamentale en utilisant les neurones photorécepteurs de couleur dans la rétine de drosophile comme modèle puissant et génétiquement accessible. L'œil de la mouche contient un type de photorécepteur bien étudié qui existe sous deux sous-types, chacun défini par l'expression d'une rhodopsine distincte : Rh5, sensible aux longueurs d'onde bleues, ou bien Rh6, sensible aux longueurs d'onde vertes. Ces récepteurs couplés aux protéines G, sensibles à la lumière, déterminent la sensibilité spectrale.
Dans les souches sauvages de laboratoire, ces deux sous-types de photorécepteurs sont générés selon un motif stochastique mais stéréotypé. Environ 30 % des cellules expriment Rh5 et 70 % expriment Rh6. Rh5 et Rh6 ne sont jamais co-exprimées dans un même neurone. Bien que le programme de différenciation qui établit ce motif d'expression des rhodopsines ait été relativement bien décrit, plusieurs questions importantes subsistent concernant les mécanismes moléculaires qui spécifient et maintiennent l'identité des sous-types.
Récemment, nous avons découvert que des mouches issues de populations naturelles peuvent présenter des déviations marquées par rapport au motif standard d'expression des rhodopsines. Certains individus présentent des rapports Rh5/Rh6 fortement modifiés, tandis que d'autres montrent une co-expression de Rh5 et Rh6 dans le même photorécepteur. En nous appuyant sur cette observation, nous avons analysé environ lignées de mouches consanguines dérivées d'individus capturés dans la nature, et constaté que de nombreuses lignées présentent des phénotypes affectant la différenciation, le maintien et la fonction des photorécepteurs. Notamment, au sein de cet ensemble, nous avons identifié des lignées représentant l'ensemble des changements qualitatifs possibles de l'expression de Rh5 et Rh6 dans ces photorécepteurs.
Le projet de doctorat s'appuie sur ces résultats pour mettre en place une stratégie permettant d'identifier d'autres variants causaux, au-delà de ceux déjà caractérisés. Il utilise l'arsenal étendu de la génétique de drosophile en combinaison avec le séquençage du génome entier. Plusieurs variants responsables de ces phénotypes ont déjà été identifiés, et des progrès substantiels ont été réalisés sur d'autres candidats. La seconde partie du projet portera sur la caractérisation approfondie d'un ou deux variants identifiés, afin d'élucider leur rôle moléculaire dans la différenciation des photorécepteurs et le maintien de leur identité, ainsi que leur éventuelle pertinence écologique dans des environnements naturels. Un exemple est un variant sans précédent provoquant la perte de l'expression de Rh5 lorsque les mouches sont maintenues dans l'obscurité, variant que nous avons déjà cartographié et identifié.
Le projet fera appel à un large éventail de techniques, incluant la génétique, la microdissection, l'immunofluorescence, l'hybridation in situ RNAscope, la microscopie confocale, la biologie moléculaire et le séquençage du génome entier.
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How do genetic differences between individuals shape the structure and function of their nervous systems?

This PhD project addresses this fundamental question using colour photoreceptor neurons in the Drosophila retina as a powerful and genetically tractable model. The fly eye contains a well studied photoreceptor type that exists in two subtypes, each defined by the expression of a distinct rhodopsin. These light sensitive G protein coupled receptors determine colour sensitivity. One subtype expresses Rh5, which is sensitive to blue light, while the other expresses Rh6, which responds to green light.

In lab wild type strains, the two photoreceptor subtypes are typically generated in a stereotyped yet stochastic pattern. Approximately 30 percent express Rh5 and 70 percent express Rh6. Rh5 and Rh6 are never co-expressed in the same cell. While the differentiation program that establishes this rhodopsin expression pattern has been relatively well described, a number of important questions remain about the molecular mechanisms that specify and maintain these subtype identities.

Recently, we discovered that flies from natural populations can show striking deviations from this standard rhodopsin pattern. Some individuals have dramatically altered Rh5 to Rh6 ratios, and others show co-expressed Rh5 and Rh6 in the same photoreceptor cells. Building on this observation, we examined approximately inbred fly lines derived from wild caught individuals and found that many lines display phenotypes affecting photoreceptor differentiation, maintenance, and function. Notably, across this collection we found lines representing the full set of possible qualitative changes in Rh5 and Rh6 expression in these photoreceptors.

The PhD project will build on this foundation by establishing a pipeline to map further causal variants, beyond those we have already identified, using the extensive Drosophila genetics toolkit in combination with whole genome sequencing. We have already identified several variants underlying these phenotypes and have made substantial progress on additional candidates. The second part of the project will focus on the in depth characterisation of one or two identified variants, addressing their molecular roles in photoreceptor differentiation and subtype maintenance, as well as their potential ecological relevance in natural environments. One example is an unprecedented variant that causes loss of Rh5 expression when flies are maintained in darkness, which we have already mapped and identified.

The project will involve a broad range of techniques, including genetics, microdissection, immunohistochemistry, RNAscope based in situ hybridisation, confocal microscopy, molecular biology, and whole genome sequencing.
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Début de la thèse : 01/10/
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Contrats ED : Programme blanc GS-LSaH