Deciphering the interplay between epithelial integrity and signaling during differentiation of human induced pluripotent stem cells into primitive streak

par Diane Rattier

Thèse de doctorat en Biologie du développement

Sous la direction de Rosanna Dono.

Soutenue le 29-04-2021

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille) , en partenariat avec Institut de Biologie du Développement de Marseille (IBDM) (laboratoire) .

Le président du jury était Julien Royet.

Le jury était composé de Benoît Sorre, Annalisa Fico.

Les rapporteurs étaient Ali H. Brivanlou, Alfonso Martinez Arias.

mots clés

• Gastrulation
• Intégrité épitheliale
• Signalisation TGF-B
• Strie primitive
• Cellules souches pluripotentes induites humaines
• Glypican-4
• Gastrulation
• Cellules souches
• Morphogenèse
• Glypicanes

Titre traduit

Décrypter l'interaction entre la signalisation et l'intégrité épithéliale lors de la différenciation en strie primitive de cellules souches pluripotentes induites humaines

Résumé

Explorer et comprendre la mise en place de la signalisation et du destin cellulaire dans l’embryon mammifère reste un défi. Au début de l’embryogénèse, la différenciation en Strie primitive (PS) est régulée par les morphogènes Bmp, Wnt et Activin. Pourtant, comment ces activités de signalisation et la différenciation en PS qui en résulte sont précisément établies dans l'embryon est encore peu compris. Étudier ces questions in vivo demeure extrêmement difficile, par conséquent, les systèmes in vitro basés sur des cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) sont apparus comme une excellente alternative. De manière intéressante, des études récentes ont souligné que l'organisation épithéliale restreint l'accessibilité des récepteurs aux ligands en définissant un confinement géométrique entre les côtés apical et basal des cellules. Cela suggère que l'intégrité épithéliale pourrait être un régulateur de la signalisation et de la différenciation. Pour explorer cette possibilité, au cours de ma thèse, j’ai profité d’hPSCs régulés à la baisse pour GLYPICAN-4 car j’ai observé que les cultures présentent des foyers dans lesquels l'intégrité épithéliale est localement perturbée. En utilisant ce système particulier, j’ai démontré que l'intégrité épithéliale est un régulateur clé de la structuration spatiale et temporelle de la signalisation Bmp et Activin et de la différenciation en PS. Ainsi, mes travaux approfondissent la compréhension des mécanismes régulant la signalisation et la différenciation au cours de la gastrulation chez les mammifères.

mots clés

• Gastrulation
• Epithelial intergity
• TGF-B signaling
• Primitive streak
• Human induced pluripotent stem cells
• Glypican-4

Résumé

Understanding signaling and cell fate patterning in the mammalian embryo remains a formidable challenge. At the onset of embryogenesis, differentiation into Primitive streak (PS) is regulated by the morphogens Bmp, Wnt and Activin. Yet, how these morphogen signaling activity and the resulting PS fate are precisely patterned in the embryo still remains unclear. Study these questions in vivo is extremely challenging, therefore in vitro systems based on human pluripotent stem cells (hPSCs) have emerged as a great full alternative. Interestingly, recent studies highlighted that epithelial organization restrict receptor accessibility to ligands by defining a geometrical confinement between apical and basal side of cells. This suggests that epithelial integrity could be a regulator of signaling and differentiation patterning. To explore this possibility, durind my thesis I took advantage of hPSCs down-regulated for GLYPICAN-4 since I observed that they exhibit foci in which epithelial integrity is locally disrupted. By using this peculiar system, I show that epithelial integrity is a key regulator of spatial and temporal patterning of Bmp and Activin signaling and differentiation into PS. Thus, my work unveils new inputs in the understanding of mechanisms regulating signaling and differentiation patterning during mammalian gastrulation.