La regeneration repose-t-elle sur les réseaux de régulation du développement embryonnaire ?

Does regeneration re-use developmental gene regulatory networks?

• Auteur / Autrice : Namrata Namrata
• Direction : Mathilde Paris, Michalis Averof
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : BMIC - Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGFL - Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon

Mots clés

Mots clés libres

Gene regulation network

Régénération

Développement

Bioinformatique

Gene Regulatory Network

Regeneration

Development

Bioinformatics

Résumé

De nombreux animaux peuvent régénérer leurs organes après une blessure grave. Dans certains cas, les organes régénérés sont impossibles à distinguer de ceux initialement produits pendant le développement embryonnaire. Cette similitude entre les résultats du développement et de la régénération suggère que les processus pourraient également être similaires, c'est-à-dire que la régénération pourrait refléter le développement embryonnaire. Les deux processus sont codés dans le même génome, nous pouvons donc imaginer comment les réseaux de régulation génétique (GRN) sous-jacents pourraient être partagés. Malgré ces similitudes, il existe des différences importantes entre le développement et la régénération. Dans le corps adulte, le contexte cellulaire dans lequel se déroule la régénération diffère de celui de l'embryon : différentes populations cellulaires sont disponibles pour servir de progéniteurs (par exemple, les cellules indifférenciées par opposition aux cellules différenciées et aux cellules souches), et il existe de plus en plus de preuves que les cellules immunitaires et les neurones - qui ne sont pas encore formés au début du développement des organes - jouent un rôle clé dans la régénération (par exemple, Kumar et al. 2007, Kyritsis et al. 2012, Godwin et al. 2013). La taille des primordia en développement et en régénération peut varier jusqu'à 10 fois (Brockes et Kumar 2005). Notre laboratoire a commencé à explorer la relation entre le développement et la régénération en comparant la dynamique transcriptionnelle globale de la régénération et du développement des pattes chez le crustacé Parhyale hawaiensis (Sinigaglia et al. 2022). Les résultats ont montré que malgré des chevauchements importants dans l'utilisation des gènes, le développement et la régénération des pattes de Parhyale présentent des profils d'expression génétique distincts qui ne peuvent être alignés de manière cohérente. Cela suggère que la régénération ne reflète pas simplement le développement. Ce résultat est frappant, car nous savons également que les pattes régénérées de Parhyale sont identiques aux pattes d'origine non blessées en termes de microanatomie, de composition cellulaire et de profils transcriptionnels des types de cellules constitutives (Almazan et al. 2022). Comment des mécanismes distincts de développement et de régénération peuvent-ils générer des structures aussi similaires ? Se pourrait-il que des mécanismes similaires restent cachés dans les transcriptomes globaux en raison de l'hétérogénéité cellulaire dans le développement et la régénération des pattes ? Pour répondre à ces questions, j'étudierai les GRN qui guident le développement et la régénération des pattes chez Parhyale. De nouvelles approches expérimentales et computationnelles nous permettent désormais de déduire les GRN transcriptionnels qui opèrent dans différents types de cellules, en intégrant (i) les données RNAseq à résolution temporelle et à noyau unique (snRNAseq), y compris les facteurs de transcription (FT) et leurs cibles putatives, (ii) les profils génomiques d'accessibilité de la chromatine générés par ATACseq à noyau unique (snATACseq), et (iii) les préférences de liaison de l'ADN des FT, afin de déduire les interactions FT-cible à l'échelle du génome (Kamimoto et al. 2023, Gonzålez-Blas et al. 2022, Fleck et al. 2022, Kartha et al. 2022). Les GRN déduits pour le développement et la régénération peuvent ensuite être comparés et validés expérimentalement. L'étude de la relation entre le développement et la régénération à ce niveau plus profond n'a jamais été réalisée auparavant chez aucun organisme.

Many animals can regenerate their organs after a severe injury. In some cases the regenerated organs are indistinguishable from those originally produced during embryonic development. This similarity in the outcomes of development and regeneration suggests that the processes may also be similar, i.e. that regeneration could mirror embryonic development. Both processes are encoded in the same genome, so we can envisage how the underlying gene regulatory networks (GRNs) might be shared. In spite of these similarities, there are important ways in which development and regeneration are likely to differ. In the adult body, the cellular context in which regeneration unfolds differs from the embryo: different cell populations are available to serve as progenitors (e.g. undifferentiated versus differentiated cells and stem cells), and there is mounting evidence that immune cells and neurons - which are not yet formed at the onset of organ development-play key roles during regeneration (e.g. Kumar et al. 2007, Kyritsis et al. 2012, Godwin et al. 2013). The size of developing and regenerating primordia may differ as much as 10-fold (Brockes and Kumar 2005). Our lab has started to explore the relation between development and regeneration by comparing the global transcriptional dynamics of leg regeneration and development in the crustacean Parhyale hawaiensis (Sinigaglia et al. 2022). The results showed that despite extensive overlaps in gene usage, the development and regeneration of Parhyale legs show distinct profiles of gene expression that cannot be aligned in a coherent fashion. This suggests that rengeneration does not simply mirror development. This result is striking, as we also know that the regenerated legs of Parhyale are identical to the original uninjured legs in terms of microanatomy, cell composition, and transcriptional profiles of the constituent cell types (Almazan et al. 2022). How could distinct mechanisms of development and regeneration generate such similar structures? Could it be that similar mechanisms remain hidden in bulk transcriptomes due to the cellular heterogeneity in developing and regenerating legs? To address these questions I will investigate the GRNs guiding leg development and regeneration in Parhyale. New experimental and computational approaches now allow us to infer transcriptional GRNs that operate within different cell types, by integrating (i) time resolved single-nucleus RNAseq (snRNAseq) data, including transcription factors (TFs) and their putative targets, (ii) genome-wide profiles of chromatin accessibility generated by single-nucleus ATACseq (snATACseq), and (iii) TF DNA binding preferences, to infer TF-target interactions on a genome-wide scale (Kamimoto et al. 2023, Gonzålez-Blas et al. 2022, Fleck et al. 2022, Kartha et al. 2022). Inferred GRNs for development and regeneration can then be compared and experimentally validated. Probing the relationship of development and regeneration at this deeper level has not been achieved before in any organism.