from cell-to-cell variability to cellular individuality in the

236 Pages·2017·52.73 MB·English

by  Artémis Llamosi

UNIVERSITE
 SORBONNE
 PARIS
 CITE

UNIVERSITE
 PARIS
 DIDEROT
 (PARIS
 7)

THÈSE

Pour
 obtenir
 le
 grade
 de
 DOCTEUR
 DE
 L’UNIVERSITÉ
 PARIS
 DIDEROT

Spécialité:
 Biologie
 synthétique
 et
 systémique

École
 Doctorale
 Frontières
 du
 Vivant
 (ED
 474)

Laboratoire
 Matière
 et
 Systèmes
 Complexes
 (MSC)

INRIA
 Paris
 Rocquencourt.

Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene

expression
 and
 growth:
 from
 cell-­‐to-­‐cell

variability
 to
 cellular
 individuality
 in
 the

budding
 yeast
 Saccharomyces
 cerevisiae.

Présentée
 par

Artemis
 Llamosi

dirigée
 par
 Pascal
 HERSEN
 et
 Gregory
 BATT

Soutenue
 le
 15
 décembre
 2015

Marc
 LAVIELLE
  Directeur
 de
 recherche,
 INRIA
  Rapporteur

Gael
 YVERT
  Directeur
 de
 recherche,
 CNRS
  Rapporteur

Peter
 SWAIN
  Professeur,
 University
 of
 Edinburgh
  Examinateur

Heinz
 KOEPPL
  Professeur,
 TU
 Darmstadt
  Examinateur

Gregory
 BATT
  Chargé
 de
 recherche,
 INRIA
  Directeur
 de
 thèse

Pascal
 HERSEN
  Directeur
 de
 recherche,
 CNRS
  Directeur
 de
 thèse
Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene
 expression
 and
 growth

Page
 |
 2
M.
 C.
 Escher.
 Reptiles.
 1943

  Page
 |
 3
Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene
 expression
 and
 growth

Page
 |
 4
Acknowledgments

Many
 people
 have
 contributed
 to
 the
 work
 presented
 here,
 through
 scientific
 exchange,
 personal

support
 or
 both.

I
 had
 the
 opportunity
 to
 work
 with
 many
 interns
 during
 this
 project:
 Sebastian
 Jaramillo
 Riveri,
 Matt

Deyell,
 Rémi
 Sieskind,
 Alice
 Llamosi,
 and
 Antonio
 Villarreal
 Larraui.
 Thank
 you
 all
 for
 helping
 me,

whether
 by
 lightening
 my
 share
 of
 ungrateful
 repetitive
 tasks
 or
 in
 taking
 the
 risk
 of
 exploring
 new

research
 directions.

I
 would
 like
 to
 thank
 all
 the
 members
 of
 the
 MSC
 lab
 and
 the
 Contraintes/Lifeware
 team,
 in
 particular

Jean-­‐Marc
  Di
  Meglio,
  François
  Fages,
  Benoit
  Sorre,
  Gaëlle
  Charron,
  Mathieu
  Receveur,
  Arnaud

Grados
 et
 David
 Pereira.

I
 obviously
 want
 to
 thank
 all
 the
 members
 of
 the
 Lab
 513,
 both
 past
 and
 present.
 First
 of
 all,
 I
 would

like
  to
  thank
  Jannis
  Uhlendorf
  for
  teaching
  me
  so
  much
  about
  working
  with
  yeast,
  doing

microfluidics,
 keeping
 calm
 with
 molecular
 biology,
 and
 tuning
 microscopes.
 Also,
 I
 am
 very
 grateful

to
 Clément
 Vulin,
 a
 friend
 and
 a
 teacher
 to
 me.
 Thanks
 to
 you
 I
 know
 why
 yeast
 is
 awesome
 and
 I

have
 filled
 many
 blanks
 in
 my
 homemade
 biology
 education.
 I
 would
 like
 to
 thank
 Jean-­‐Baptiste

Lugagne,
 Xavier
 Duportet,
 Zoran
 Marinkovic,
 Adrien
 Halou,
 and
 Zacchari
 Ben
 Meriem
 for
 the
 very

good
 vibes
 in
 the
 lab,
 the
 fruitful
 discussions
 and
 the
 troubleshooting
 support.

I
 would
 like
 to
 thank
 my
 collaborators
 and
 in
 particular
 Andres
 Gonzalez-­‐Vargas
 for
 working
 with
 me

side
 by
 side
 (although
 most
 of
 the
 time
 at
 distance)
 with
 patience
 and
 strength.
 I
 thank
 Giancarlo

Ferrari-­‐Trecate
  and
  Eugenio
  Cinquemani
  for
  being
  our
  mathematical
  backbone
  and
  for
  our

discussions.
 I
 thank
 Cristian
 Versari
 for
 our
 collaboration
 on
 Cell*
 and
 the
 immense
 amount
 of
 effort

you’ve
 placed
 in
 order
 to
 create
 a
 truly
 great
 tool.

I
 thank
 again
 Eugenio
 Cinquemani
 along
 with
 Frédéric
 Devaux
 for
 our
 yearly
 advisory
 committee,

which
 was
 always
 useful
 and
 benevolent.

I
 would
 like
 to
 thank
 Véronique
 Letort,
 Florence
 d’Alché-­‐Buc
 and
 Thomas
 Landrain
 who
 acted
 as

enzymes
 in
 catalyzing
 my
 transformations
 from
 engineering
 to
 biology
 prior
 to
 my
 PhD.

I
 thank
 my
 family
 for
 their
 support
 and
 Séverine,
 my
 life
 partner
 who
 shares
 the
 ups
 and
 downs
 of
 a

PhD
 and
 is
 always
 ready
 for
 geek’s
 chats
 and
 late
 philosophical
 and
 scientific
 debates.

Obviously,
 I
 will
 never
 be
 able
 to
 thank
 enough
 my
 PhD
 advisors,
 Pascal
 Hersen
 and
 Gregory
 Batt.

Thank
 you
 for
 believing
 in
 me,
 for
 your
 multidimensional
 support
 and
 advice,
 for
 your
 patience,
 and

for
 your
 subtle
 blend
 of
 profound
 expertise
 and
 humility.

At
 last,
 I
 would
 like
 to
 thank
 the
 billions
 of
 yeast
 cell,
 which,
 unwillingly,
 have
 been
 the
 core
 of
 this

project.
 Thank
 you
 for
 being
 so
 fascinating
 and
 for
 bread,…
 and
 beer,…
 and
 wine.

  Page
 |
 5
Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene
 expression
 and
 growth

Page
 |
 6
Table
 of
 Contents

Acknowledgments
 ...................................................................................................................................
 5

Abstract
 .................................................................................................................................................
 11

Foreword:
 Why
 engineers
 should
 study
 cells?
 .....................................................................................
 13

General
 introduction
 .............................................................................................................................
 15

I.
  Introduction
 ..................................................................................................................................
 21

1.
  Dealing
 with
 variability
 and
 time
 scale
 in
 gene
 expression
 .......................................................
 21

a.
  Twins
 are
 not
 identical
 ..........................................................................................................
 21

b.
  What
 a
 difference
 a
 day
 makes?
 ...........................................................................................
 26

2.
  Measurements
 at
 the
 single
 cell
 level
 .......................................................................................
 31

3.
  A
 synthetic
 and
 systems
 biology
 approach
 ...............................................................................
 35

a.
  Cells
 as
 systems
 .....................................................................................................................
 35

b.
  Experimenting
 within
 a
 cell:
 Synthetic
 biology
 and
 microfluidics
 .........................................
 38

4.
  S.
 cerevisiae
 response
 to
 osmotic
 stress
 ...................................................................................
 41

a.
  An
 overview
 of
 the
 HOG
 response
 ........................................................................................
 41

b.
  Yeast
 response
 to
 osmotic
 stress
 as
 a
 model
 cellular
 process
 ..............................................
 46

c.
  Modelling
 the
 cellular
 response
 to
 osmotic
 stress
 ................................................................
 52

5.
  Introduction
 Conclusion
 and
 Outline
 ........................................................................................
 54

II.
  Long
 term
 dynamic
 experiments
 and
 single-­‐cell
 data
 ...................................................................
 55

1.
  Single-­‐cell
 measurements
 in
 precisely
 changing
 environments
 using
 microfluidics
 and

microscopy
 ........................................................................................................................................
 56

a.
  The
 Truman
 show:
 the
 use
 of
 microfluidics
 ..........................................................................
 56

b.
  Fluorescent
 probes
 to
 peep
 into
 cellular
 activity
 ..................................................................
 61

2.
  Image
 Analysis
 ...........................................................................................................................
 64

a.
  Segmentation
 and
 Tracking
 using
 Cell*
 ................................................................................
 64

b.
  Measures
 of
 cellular
 identity
 .................................................................................................
 66

3.
  Measuring
 growth
 in
 populations
 and
 single
 cells
 ....................................................................
 69

a.
  Going
 beyond
 the
 field
 of
 view:
 An
 Eulerian
 measure
 of
 population
 growth
 .......................
 69

b.
  Measuring
 growth
 at
 the
 single
 cell
 level
 ..............................................................................
 72

4.
  Conclusions
 on:
 long
 term
 dynamic
 experiments
 and
 single
 cell
 data
 ......................................
 74

III.
  Individuality
 in
 the
 transcriptional
 response
 to
 osmotic
 stress
 ................................................
 75

1.
  Modelling
 dynamics
 of
 gene
 expression
 at
 the
 single
 cell
 level
 ................................................
 75

a.
  pSTL1
 as
 a
 reporter
 of
 HOG
 transcriptional
 response
 ...........................................................
 75

  Page
 |
 7
Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene
 expression
 and
 growth

b.
  Representing
 variability
 in
 pSTL1
 gene
 expression
 with
 stochastic
 models
 ..........................
 80

c.
  Identifiability
 of
 extrinsic
 and
 stochastic
 models
 of
 gene
 expression
 at
 the
 single-­‐cell
 level84

2.
  Mixed
 effects
 models
 of
 pSTL1
 expression
 ...............................................................................
 87

a.
  Building
 a
 single-­‐cell
 model
 of
 pSTL1
 expression
 including
 cell-­‐to-­‐cell
 variability
 ................
 87

b.
  Representing
 extrinsic
 variability
 with
 using
 Mixed-­‐effects
 models
 .....................................
 89

c.
  Estimating
 population
 and
 single-­‐cell
 models
 and
 validating
 them
 ......................................
 90

3.
  Cellular
 identity
 and
 gene
 expression
 .......................................................................................
 97

a.
  Relations
 between
 gene
 expression
 and
 cell
 physiology
 ......................................................
 97

b.
  Inheritance
 of
 phenotype
 and
 gene
 expression
 features
 .....................................................
 98

c.
  Listening
 to
 the
 noise:
 harvesting
 natural
 cell
 to
 cell
 variability
 .........................................
 101

4.
  Conclusions
 on:
 Individuality
 in
 the
 transcriptional
 response
 to
 osmotic
 stress
 ....................
 103

IV.
  The
 impact
 of
 repeated
 stress
 on
 cellular
 proliferation
 ..........................................................
 109

1.
  An
 integrated
 view
 of
 the
 response
 to
 osmotic
 stress
 ............................................................
 111

a.
  How
 osmotic
 stress
 affects
 growth
 and
 division?
 ...............................................................
 111

b.
  Proliferation
 quantification
 at
 the
 single
 cell
 level:
 a
 matter
 of
 point
 of
 view
 ....................
 113

2.
  The
 impact
 of
 osmotic
 stress
 on
 the
 cell
 cycle
 ........................................................................
 116

a.
  Osmotic
 stress
 can
 trigger
 phase-­‐dependent
 arrest
 of
 the
 cell
 cycle
 .................................
 116

b.
  Nuclear
 separation
 is
 perturbed
 by
 osmotic
 stress
 .............................................................
 119

c.
  Timing
 of
 cell
 cycle
 arrest
 and
 partial
 lock-­‐in
 ......................................................................
 123

d.
  Lock-­‐in
 phenomenon
 ..........................................................................................................
 127

3.
  The
 impact
 of
 osmotic
 stress
 on
 metabolism
 .........................................................................
 131

a.
  Metabolism
 shifts
 upon
 osmotic
 stress
 ...............................................................................
 131

b.
  Quantifying
 adaptation
 variable
 cost
 ..................................................................................
 132

c.
  Quantifying
 acclimation
 costs
 of
 osmotic
 fluctuation
 .........................................................
 136

4.
  Conclusion:
 The
 impact
 of
 osmotic
 stress
 on
 colony
 growth
 dynamics
 ..................................
 140

V.
  Perspectives
 and
 final
 discussion
 ................................................................................................
 143

1.
  Experimental
 pipelines
 for
 systems
 biology
 at
 the
 single-­‐cell
 level
 ........................................
 143

2.
  Cellular
 variability
 and
 context
 ................................................................................................
 147

List
 of
 abbreviations
 ............................................................................................................................
 153

References
 ..........................................................................................................................................
 154

Appendix
 .............................................................................................................................................
 167

1.
  List
 of
 Strains
 ...........................................................................................................................
 168

2.
  The
 use
 of
 S.
 cerevisiae
 ...........................................................................................................
 169

3.
  Transcriptome
 time
 course
 in
 response
 to
 hyperosmotic
 stress
 ............................................
 172

Page
 |
 8
4.
  Custom
 microfluidic
 chips
 fabrication
 method
 .......................................................................
 173

5.
  Glucose
 diffusion
 and
 consumption
 in
 microfluidic
 chambers
 ...............................................
 176

6.
  Single-­‐cell
 parameter
 estimation
 of
 models
 of
 gene
 expression
 (article,
 submitted
 version)
 185

7.
  Simulation
 of
 Eigen
 cell
 behavior
 ............................................................................................
 230

8.
  Developing
 an
 Open
 Source,
 single-­‐cell
 optogenetic
 system
 ..................................................
 231

  Page
 |
 9
Effects
 of
 repeated
 osmotic
 stress
 on
 gene
 expression
 and
 growth

Page
 |
 10