Systematic and quantitative analysis of the early embryonic development of Caenorhabditis elegans

Abstract

The embryo of Caenorhabditis elegans is a model system in which development can be studied at single cell resolution. In this thesis I describe the use of a semi-automatic nuclear tracking algorithm to analyze cellular movements in the early embryo, as well as how embryos respond to mechanical deformation and to genetic perturbation. During gastrulation cells were observed to not only ingress into the interior of the embryo, but also to egress onto the surface. Moreover, cell lineages were identified that undergo both directional movements, i.e. first internalize and then continue to move until finally reemerging on the surface, “transgressing” or “tunnelling” through the embryo. The previously described stereotypical early rotation movements in compressed embryos were found to be highly variable in uncompressed embryos, with this variable global rotation largely determining the final embryonic axes. In addition to constraining this early rotation, compression of the embryo was found to alter the relative positions of cell groups. A compensatory mechanism was identified consisting of a global rotation of cells initiating more than an hour after the four-cell stage that realigns the relative positions of cell groups and results in a further rotation of the embryonic axes. Possible mechanisms that drive these corrective cell movements are discussed. Inhibiting the expression of 20 general regulators of chromatin and analyzing the phenotypic consequences at single cell resolution revealed functions in chromosome segregation, mitotic cell cycle progression, cellular movements and lineage-specific development, and suggested the existence of functionally diverse chromatin-modifying protein complexes in the embryo. Moreover, a global re-arrangement of nuclear architecture was observed upon the inhibition of zygotic gene expression. Taken together, these analyses illustrate the power of single cell resolution phenotyping, identify previously unrecognized cell behaviors during early development, and identify regulative cell movements as a mechanism that confers robustness to the effects of mechanical deformation.

El nemátodo Caernorhabditis elegans ofrece la posibilidad de estudiar el desarrollo embrionario con una resolución celular. En esta tesis, describo el uso de un algoritmo semi-automático de seguimiento nuclear para analizar movimientos celulares en el embrión temprano, así como la manera en que el embrión responde a deformaciones mecánicas y a perturbaciones genéticas. Durante el proceso de gastrulación, observamos que ciertas células no solo ingresan al interior del embrión, pero también egresan hasta la superficie. Asimismo, identificamos linajes celulares que llevan a cabo ambos tipos de movimientos direccionales, esto es, primero internalizan y luego la continuan su movimiento hasta finalmente re-emerger en la superficie, “transgressing” o “tunneling” a través del embrión. Hemos descubierto que los movimientos estereotípicos de rotación en el embrión temprano, descritos previamente, son altamente variables en ausencia de compresión y esta variabilidad total en la rotación determina los ejes finales del embrión. Además de limitar esta rotación temprana, la compresión del embrión altera la posición relativa de grupos celulares. Hemos identificado un mecanismo compensatorio que consiste en la rotación global de células el cual tiene lugar mas de una hora después del estadio de cuatro células. Ese mecanismo re-alinea la posición relativa de los grupos celulares resultando en una rotación adicional de los ejes embrionarios. Posibles mecanismos responsables de estos movimientos correctivos son discutidos. La inhibición de la expresión de 20 reguladores generales de la cromatina y el análisis de las consecuencias fenotípicas con resolución celular ha revelado funciones en la segregación de cromosomas, la progresión mitótica del ciclo celular, movimientos celulares y desarrollo linaje-especifico, sugiriendo la existencia de diversos complejos de proteínas modificadoras de la cromatina en el embrión. Además, hemos observado una re-organización global de la arquitectura nuclear al inhibir la expresión zigótica en el embrión. En conclusión, estos análisis han permitido ilustrar el poder de la fenotipificación con resolución celular, así como la identificación de comportamientos celulares previamente desconocidos durante el desarrollo temprano y movimientos celulares regulativos como un mecanismo que confiere robustez a los efectos de deformaciones mecánicas.