Effects of repeated osmotic stress on gene expression and growth: from cell-to-cell variability to cellular individuality in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae
Les effets du stress osmotique répété sur l’expression génétique et la prolifération : de la variabilité entre cellules à l’individualité cellulaire dans la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae
Résumé
When shifted to a stressful environment, cells are capable of complex response and adaptations. Although the cellular response to a single stress has been studied in great detail, very little is known when it comes to dynamically fluctuating stressful environments. In addition, in the context of stress response, the role of cell-to-cell variability in cellular processes and more specifically in gene expression is still unclear.
In this work, we use a systems and synthetic biology approach to investigate osmotic stress in S. cerevisiae at the single cell level. Combining microfluidics, fluorescent microscopy and advanced image analysis, we are able to subject cells to precise fluctuating osmolarity and monitor single-cell temporal response.
While much previous research in gene expression heterogeneity focused on its stochastic aspect, we consider here long-lasting differences between cells regarding expression kinetics. Using population models and state-of-the-art statistical analysis, we manage to represent both population and single-cell dynamics in a single concise modelling framework. This quantitative approach capturing stable individuality in gene expression dynamics can define a form of non-genetic cellular identity.
To improve our comprehension of the biological interpretation of such identity, we investigate the relation between single-cell specificities in their gene expression with their phenotype and micro-environment. We then take a lineage based perspective and find this form of identity to be partially inherited.
Understanding the evolutionary consequences of inheritable non-genetic cellular identity requires a better knowledge of the impact of fluctuating stress on cell proliferation. Dissecting quantitatively the consequences of repeated stress on cell-cycle and growth gives us an overview of the energetic and temporal consequences of repeated stress. At last, technical and theoretical developments needed to carry this investigation further are presented. These include the use of automated experimental design, both offline and online through real-time experimental design and single-cell real-time control of gene expression.
Face à un stress, les cellules sont capables de réponses et d’adaptations complexes. Bien que la réponse cellulaire à un stress ait été étudiée en détails, très peu de travaux ont étudié les effets de fluctuations dynamiques de stress et le rôle de la variabilité intercellulaire dans cette réponse. Nous avons étudié le stress osmotique dans S. cerevisiae à l’échelle de la cellule unique en combinant systèmes micro-fluidiques, microscopie de fluorescence et des méthodes avancées d’analyse d’image.
De manière originale, nous nous intéressons ici aux différences stables entre cellules dans leur dynamique d’expression génétique. L’utilisation de modèles de population et de méthodes statistiques avancées permet de représenter par un modèle mathématique à la fois les dynamiques d’une population et de cellules uniques de manière concise et cohérente. Cette approche quantitative de l’individualité stable dans la dynamique de l’expression génétique peut permettre la définition d’une forme d’identité non-génétique.
Nous avons étudié la relation entre les particularités cellulaires dans l’expression génétique et le phénotype ou le microenvironnement. En retraçant les généalogies cellulaires, nous avons également pu identifier que cette individualité était partiellement héritée.
La compréhension des conséquences évolutives d’une identité cellulaire non-génétique héritable nécessite de connaître d’avantage l’impact de fluctuations de stress sur la prolifération cellulaire. Nous avons cherché à séparer les conséquences du stress répété sur le cycle cellulaire d’une part et sur la croissance d’autre part, ce qui nous donne un aperçu des effets énergétiques et temporels du stress répété.
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