Study of the mechanisms controlling HOX gene expression and implications for the in vitro generation of human tissues
Étude des mécanismes contrôlant l’expression des gènes HOX et implications pour la génération in vitro de tissus humains
Résumé
During embryogenesis, the formation of the vertebrate body plan depends on the spatial organization of different cell types along the anterior-posterior axis. This process is orchestrated by HOX transcription factors, which are differentially expressed along this axis, conferring positional identity on developing tissues. HOX patterns of expression are initiated by the sequential activation of HOX genes in axial progenitors, a population of stem cells fueling the progressive elongation of the body of developing embryos, forming notably the somites and the spinal cord. In parallel with the progressive induction of this gene family, these progenitors generate increasingly caudal structures, transforming the temporal sequence of activation into spatial domains of expression along the anterior-posterior axis. Nevertheless, the mechanisms that regulate the temporality of this induction and its transformation into spatial domains remain poorly understood, particularly in humans. To address these questions, during my thesis I generated progenitors from human pluripotent stem cells that display the molecular and functional characteristics of axial progenitors. Indeed, we have shown that these progenitors sequentially activate HOX genes and can give rise to organoids recapitulating multiple aspects of the generation and organization of the anterior-posterior axis, such as the formation of somites surrounding a neural tube along which the spatial expression patterns of several HOXs are recapitulated. Using these in vitro-produced axial progenitors, we first demonstrated that the tempo of induction of HOX genes is dynamically modulated by the graded activity of two extrinsic factors, FGFs and GDF11, which are sequentially expressed in the caudal region of vertebrate embryos during development. Then, we showed that 1) activated HOX genes are direct targets of signaling pathways downstream of these factors and 2) that the speed of activation of genes expressed later and later is determined by the duration of pathway activation in axial progenitors, a property of the pathways regulated by intrinsic negative feedback mechanisms. Overall, my results suggest a new model in which the timing of HOX gene activation is an emergent property of the dynamics of signaling pathways downstream of extrinsic factors. In parallel, my studies have led to improved cellular and tissue engineering of trunk cells from human pluripotent stem cells, culminating in protocols for generating the different motor neuron subtypes present along the body axis, and a new organoid model mimicking morphogenesis and the formation of cellular diversity along the human body axis.
La formation du schéma corporel des vertébrés dépend, lors de l’embryogenèse, de l’organisation spatiale des différents types cellulaires le long de l’axe antéro-postérieur. Ce processus est orchestré par les facteurs de transcription HOX qui sont différentiellement exprimés le long de cet axe et confèrent leur identité positionnelle aux tissus en développement. Ces patrons d’expression sont initiés par l’activation séquentielle des gènes HOX dans les progéniteurs axiaux, une population de cellules souches nourrissant l’allongement progressif du corps des embryons en développement, notamment les somites et la moelle épinière. Parallèlement à l’induction progressive de cette famille de gènes, ces progéniteurs génèrent donc des structures de plus en plus caudales transformant la séquence temporelle d’activation en domaines d'expression spatiaux le long de l’axe antéro-postérieur. Néanmoins, les mécanismes qui rythment la temporalité de cette induction et sa transformation en domaines spatiaux restent mal connus, en particulier chez l’humain. Pour aborder ces questions, au cours de ma thèse, j’ai produit à partir de cellules souches pluripotentes humaines des progéniteurs arborant les caractéristiques moléculaires et fonctionnelles des progéniteurs axiaux. En effet, nous avons montré que ces progéniteurs activent séquentiellement les gènes HOX et peuvent donner naissance à des organoïdes récapitulant de multiples aspects de la génération et de l’organisation de l’axe antéro-postérieur comme la formation de somites entourant un tube neural le long duquel les patrons d’expression spatiaux de plusieurs HOX sont récapitulés. En utilisant ces progéniteurs axiaux produits in vitro, nous avons tout d’abord démontré que la vitesse d’induction des gènes HOX est dynamiquement modulée par l’activité graduelle de facteurs extrinsèques, FGFs et GDF11 qui sont séquentiellement exprimés dans la région caudale des embryons vertébrés au cours du développement. Puis, nous avons montré 1) que les gènes HOX activés sont des cibles directes des voies de signalisation en aval de ces facteurs et 2) que la vitesse d’activation des gènes exprimés de plus en plus tardivement est déterminée par la durée d‘activation des voies de signalisation dans les progéniteurs axiaux, une propriété des voies régulée par des mécanismes intrinsèques de rétrocontrôles négatifs. Dans l’ensemble, mes résultats permettent de proposer un nouveau modèle dans lequel le rythme d’activation des gènes HOX est une propriété émergente des dynamiques de voies de signalisation en aval de facteurs extrinsèques. Parallèlement, mes études ont permis d’améliorer l’ingénierie cellulaire et tissulaire des cellules du tronc à partir de cellules souches pluripotentes humains culminant en des protocoles de génération des différents sous-types de motoneurones présent le long de l’axe du corps et en un nouveau modèle d’organoïde mimant la morphogenèse et la formation de la diversité cellulaire le long de l’axe du corps humain.
Domaines
Biologie cellulaire| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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