La voie PI3K/AKT régule l'identité du destin cellulaire au cours du développement précoce de la souris

The PI3K/AKT pathway regulates cell fate identities during early mouse development

• Auteur / Autrice : Anna Maria Geiselmann
• Direction : Michel Cohen-Tannoudji
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Epigénomique, prolifération et identité cellulaire (2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Jaffredo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Chazaud, Jérôme François Nicolas Artus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Collignon, Alice Jouneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Épigénétique

Génomique

Biologie du développement

Blastocyste

Endoderme (embryologie)

Mots clés libres

Embryon précoce de la souris

Masse cellulaire interne

Spécification cellulaire

Épiblast

Endoderme primitif

NANOG

Mouse Preimplantation Embryo

Inner Cell Mass

Lineage specification

Résumé

L'embryon précoce de la souris est un modèle unique de développement régulatif nécessitant un équilibre délicat entre plasticité et différentiation irréversible. En quelques jours seulement, l'œuf fécondé forme un embryon multicellulaire capable de s'attacher au tissu utérin de la mère et de développer des connexions complexes avec celui-ci. Initialement équivalentes, les cellules de l’embryon précoce voient leur potentiel de différentiation se restreindre et s'engagent vers une destinée cellulaire spécifique tout en conservant la capacité de répondre, dans des fenêtres de temps bien définies, aux signaux externes et aux perturbations du développement. Peu avant l'implantation, la masse cellulaire interne (MCI) des blastocystes précoces se différencie en épiblaste (Epi), qui donnera naissance au fœtus, et en endoderme primitif (PrE), à l'origine de tissus extra-embryonnaires. Des études antérieures ont établi qu’un réseau de régulation, impliquant les facteurs de transcription (FTs) NANOG et GATA6 et la signalisation FGF/ERK, contrôle de nombreux aspects de ce processus de différenciation. Cependant, plusieurs questions demeurent quant aux processus biologiques sous-jacents contrôlant la génération des premiers lignages embryonnaires. L'objectif de cette thèse était d'étudier le rôle de la signalisation PI3K/AKT dans le blastocyste, lorsque les cellules Epi, puis PrE, se forment à partir du pool de cellules indifférenciées de la MCI. Mon travail montre que PI3K/AKT est constitutivement actif pendant le développement préimplantatoire et que des variations d’activité entre cellules apparaissent aux stades blastocystes intermédiaires et tardifs. En modulant l'activité de la voie, j'ai pu montrer que l'activité de PI3K/AKT est une condition préalable à la formation de l'Epi, car les FTs spécifiques de l'Epi NANOG et SOX2 sont considérablement diminués et SOX17, un FT du PrE, est activé en absence d’activité PI3K/AKT. J'apporte en outre la preuve que la régulation des niveaux d’expression des FT dans la MCI est, au moins en partie, médiée par GSK3, une cible directe de PI3K/AKT. Le séquençage ARN en cellule unique (scRNAseq) a révélé que l'inhibition de PI3K/AKT induit des changements minimes dans le transcriptome des cellules internes, indiquant que la voie PI3K/AKT régule les niveaux des FTs par des mécanismes post-transcriptionnels. De manière surprenante, j'ai observé une régulation à la hausse de SOX17 lorsque PI3K/AKT est inhibé dans les embryons mutants Gata6, ce qui suggère que l'initiation de la différenciation en PrE nécessite la levée de l'inhibition de PI3K/AKT. En conclusion, ce projet de thèse illustre que PI3K/AKT, une voie souvent associée au contrôle de la survie, de la prolifération et du métabolisme, agit également comme médiateur du destin cellulaire pendant une période spécifique et limitée du développement précoce de la souris. Nous proposons que PI3K/AKT préserve la pluripotence des progéniteurs Epi en formation en maintenant l'expression de marqueurs clés du lignage tout en empêchant la différenciation vers le PrE. Ainsi, mon travail donne un aperçu nouveau et important de la régulation du FT de pluripotence clé NANOG dans les embryons précoces et identifie des signaux autres que la signalisation FGF/ERK qui participent aux décisions de lignage indépendamment de cette dernière.

The early mouse embryo is a unique paradigm for regulative development which requires a fine-tuned balance between plasticity and commitment. In just a few days, the fertilized egg forms a multicellular embryo which is able to attach to and develop intricate connections with the mother's uterine tissue. Initially equivalent, early embryonic cells become restricted in their developmental potential and commit to a specific cell identity while keeping short windows of responsiveness to react to external cues or developmental perturbations. Shortly before implantation, the inner cell mass (ICM) of early blastocysts differentiates into the epiblast (Epi), that will give rise to the fetus, and the primitive endoderm (PrE), at the origin of extraembryonic tissues. Previous studies have established a regulatory network, involving the transcription factors (TFs) NANOG and GATA6 and the FGF/ERK signaling, which controls many aspects of this differentiation process. However, several questions remain about the underlying mechanisms controlling the generation of the first embryonic lineages. The objective of this thesis was to study the role of PI3K/AKT signaling during blastocyst development when first Epi, then PrE cells arise from the uncommitted pool of ICM cells. My work demonstrates that PI3K/AKT is constitutively active during preimplantation development and that variations of signaling activities occur during mid to late blastocyst stages. By modulating pathway activity, I could demonstrate that PI3K/AKT activity is a premise for Epi formation as the Epi-specific TFs NANOG and SOX2 are dramatically reduced and endodermal SOX17 is activated in the absence of PI3K/AKT. I further provide evidence that the regulation of TF patterning in the ICM is, at least in part, mediated by the PI3K/AKT downstream target GSK3. Single cell RNA sequencing (scRNAseq) revealed that PI3K/AKT inhibition induced marginal alterations in the inner cell transcriptome, indicating that PI3K/AKT regulates TFs levels through post-transcriptional mechanisms. Surprisingly, I observed upregulation of SOX17 when PI3K/AKT is inhibited in Gata6 mutant embryos which suggests that initiation of PrE fate requires the release of PI3K/AKT inhibition. In conclusion, this PhD project illustrates that PI3K/AKT, a pathway often associated with controlling survival, proliferation and metabolism, acts also as a mediator of cell fate during a specific and limited period of early mouse development. We propose that PI3K/AKT guards the pluripotency of forming Epi progenitors by maintaining the expression of key Epi markers while simultaneously preventing differentiation towards PrE fate. Thus, my work gives novel and important insights into the regulation of the Epi master TF NANOG in early embryos and identifies signals other than FGF/ERK signaling that participate in lineage decisions independently of the latter.