Etude des mécanismes du développement de la moelle épinière humaine par la mise en place de modèles in vitro dérivés de cellules souches pluripotentes humaines

Study of human spinal cord development mechanisms through the implementation of in vitro models derived from human pluripotent stem cells

• Auteur / Autrice : Vincent Mouilleau
• Direction : Cécile Martinat, Stéphane Nedelec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 26/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Cellules Souches pour le Traitement et l’Etude des maladies Monogéniques (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Claire Legay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Martinat, Stéphane Nedelec, Claire Legay, Isabelle Cloëz-Tayarani, Sophie Bel-Vialar, Anselme Perrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Cloëz-Tayarani, Sophie Bel-Vialar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moelle épinière

Neurones moteurs

Cellules souches

Différenciation cellulaire

Mots clés libres

Cellules souches pluripotentes humaines

Motoneurones

Différenciation ciblée

Diversité neuronale

Maladies neurodégénératives

Motor neurons

Targeted differentiation

Neurodegenerative diseases

Human pluripotent stem cells

Neuronal diversity

Résumé

La mise en place des circuits moteurs dépend, au cours du développement, de la spécification de plusieurs milliers de types de motoneurones (MNs) distincts générés à différentes positions le long de l’axe rostro-caudal (R-C) de la moelle épinière. En fonction de leur localisation, ces MNs acquièrent des propriétés particulières telles que la position des corps cellulaires ou encore la spécificité de leurs projections axonales vers leur muscles cible. La diversification des MNs est en correspondance avec différents segments de la moelle épinière : cervical, brachial, thoracique, lombaire et sacral dans lesquels ils s’organisent en colonnes motrices, chacune innervant un groupe de muscles cibles ayant des fonctions motrices communes. Au sein de ces colonnes, les MNs forment des pools moteurs correspondant aux MNs innervant un même muscle. La formation de cette diversité dépend très largement d’une grande famille de facteurs de transcription : les gènes Hox. Lors du développement, ces sous-types de MNs sont progressivement spécifiés depuis la partie rostrale vers la partie caudale, des premiers formés, les MNs cervicaux, aux derniers générés, les MNs sacrés. Cette spécification temporelle provient de la différenciation progressive de progéniteurs axiaux qui subissent des changements séquentiels de leur compétence au fil du temps. Cependant, les mécanismes à l’origine de ce changement de compétence restent mal connus. Leur étude in vivo est limitée ; chez les animaux, dû à la complexité des systèmes vivants (cellules rares au sein de structures complexes, influence de plusieurs signaux extrinsèques sur la population d’intérêt) et impossible chez l’Homme. Pour aborder cette question, j’ai donc tiré parti des possibilités offertes par la différenciation in vitro des cellules souches pluripotentes humaines. J’ai d'abord caractérisé, chez l'embryon humain, le profil d'expression des facteurs de transcription HOX qui identifient les sous-types de MNs spinaux situés à différents niveaux R-C de la moelle épinière. Ensuite j’ai développé une stratégie pour générer à partir des cellules souches humaines des progéniteurs ayant les caractéristiques de progéniteurs axiaux. Ceci m’a permis de montrer que ces cellules changent de compétence au cours du temps comme dans les embryons de modèles vertébrés et peuvent générer séquentiellement différentes populations de MNs. Ce modèle m’a alors permis d’identifier les mécanismes sous-jacents à ces changements de compétence et de les manipuler pour générer, pour la première fois de manière efficace, différentes populations de MNs humains. Ces populations de MNs présentant des vulnérabilités différentes dans des maladies comme l’amyotrophie spinale ou la sclérose amyotrophique latérale, l’accès à ces cellules pourrait permettre la découverte de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le futur.

During development, motor circuit formation depends on the specification of thousands of distinct motor neuron (MNs) subt-types generated at precise positions along the rostro-caudal axis (R-C) of the spinal cord. Depending on their location, MNs acquire distinct properties such as the position of their cell bodies or the specificity of their axonal projections towards their target muscle. . MNs subtypes are in registry with the different segments of the spinal cord: cervical, brachial, thoracic, lumbar and sacral. Within these segments, MNs are organized into motor columns, each one innervating a group of target muscles with common motor functions. Inside these columns, MN cell bodies clusters in motor pools correspondong to MNs innervating a single muscle. The formation of this diversity depends largely on the large family of transcription factors encoded by the Hox genes. During development, MN subtypes are sequentially specified from from the first born cervical MNs to the lastest born the sacral MNs. This temporal specification arises from the progressive differentiation of axial progenitors that undergo sequential changes in their competence over time. However, the mechanisms undelying these changes in competence remains poorly understood in animal models due to the complexity of living systems (rare cells embeded in complex tissues, influence of mulitple extrinsic signals on the population of interest) and impossible to study in humans. To address this question, I took advantage of the opportunities offered by the in vitro differentiation of human pluripotent stem cells. First, I characterized in the human embryo, the expression profile of HOX transcription factors that identify subtypes of spinal MNs located at different R-C levels in the spinal cord. Then, I developed a strategy to generate, from human stem cells, progenitors acquiring typical characteristics of axial progenitors. This allowed me to show that these in vitro derived axial progenitors change competence over time as observed in vertebrate animal modelss and can sequentially generate different populations of MNs. I then to identied molecular mechanisms underlying these temporal changes and showed that their manipulation alllows the first efficient generation of different populations of human MNs. These populations of MNs displaying different vulnerabilities in diseases, such as spinal muscular atrophy or lateral amyotrophic sclerosis, grantingaccess to these cells might allow the discovery of new therapeutic strategies in the future.