par Swedlund, Benjamin 
Président du jury Maenhaut, Carine
Promoteur Blanpain, Cédric
Publication Non publié, 2022-06-02
Président du jury Maenhaut, Carine
Promoteur Blanpain, Cédric
Publication Non publié, 2022-06-02
Thèse de doctorat
| Résumé : | The heart is a vital organ of our body whose correct function is essential to life. During embryonic development, it arises from various pools of cardiovascular progenitors (CPs) that are specified in a precise spatiotemporal pattern during gastrulation. Correct specification of the various populations of CPs is dependent upon coordinated action of transcription factors (TFs) that together control gene expression in space and time, thereby defining the cellular identity of CPs. These molecular events are to date poorly described in nascent CPs. Mesp1 is a master TF that promotes CP specification and differentiation. Using mouse pluripotent stem cells (PSCs) as a model for gene regulation during early development, we performed RNA-seq, Mesp1, H3K27Ac and H3K4me1 ChIP-seq as well as ATAC-seq during differentiation of PSCs in which the expression of Mesp1 can be induced in a doxycycline-dependent manner. We uncovered the various patterns of gene regulation that are arise within 24 hours of Mesp1 induction, including rapid activation of some genes and delayed activation of others. Using Mesp1 ChIP-seq, we characterized the direct and indirect Mesp1 target genes in a genome-wide manner. We then defined and validated the activity of distal regulatory elements that enable the activation of Mesp1 target genes. Motif enrichment analysis at Mesp1 binding sites uncovered several potential cofactors of Mesp1. Using a variety of in vitro and in vivo validation methods, we identified Zic2 and Zic3 as essential cofactors of Mesp1, which together regulate its ability to open the chromatin as well as regulate its target gene expression during CP specification. Then, we explored the mechanisms of Mesp1-mediated enhancer activation in CPs through enhancer reporter assays, demonstrating the potential and specificity of Mesp1-bound enhancers to activate gene expression in a cell-type specific manner, opening the way to dissecting the motif grammar of CP-specific enhancers in future experiments. Finally, using single-cell RNA-seq and ATAC-seq during PSC differentiation after Mesp1 induction, we shed light on how the induction of one single master transcription factor can induce specification and differentiation of various cardiovascular lineages. Altogether, our work provides novel insights into the structure and function of the gene regulatory network governing early CP specification, thereby improving our understanding of early cardiovascular development. |
| Le cœur est un organe dont le bon fonctionnement est essentiel à la vie. Pendant le développement embryonnaire, il se forme à partir de différentes populations de progéniteurs cardiovasculaires (PCs) qui se spécifient selon un schéma spatiotemporel précis durant la gastrulation. L’agencement et la genèse de ces derniers dépend de l’action coordonnée de facteurs de transcription (FT) qui régulent l’expression des gènes dans le temps et dans l’espace, définissant ainsi l’identité de ces progéniteurs. Ces évènements moléculaires restent peu décrits dans les PCs précoces. Mesp1 est un FT qui promeut la spécification et la différentiation des PCs. En utilisant les cellules souches pluripotentes (CSP) dans lesquelles l’expression de Mesp1 peut être induite par la doxycycline comme modèle pour la régulation des gènes pendant l’embryogenèse précoce, nous avons réalisé du RNA-seq, Mesp1, H3K27Ac et H3K4me1 ChIP-seq ainsi que de l’ATAC-seq pendant la différentiation de ces CSP avec et sans induction de Mesp1. Nous avons découvert que Mesp1 active différents gènes avec des cinétiques d’expression distinctes, certains gènes répondant plus rapidement à l’induction de Mesp1 que d’autres. En analysant le Mesp1 ChIP-seq, nous avons caractérisé les gènes qui sont directement versus indirectement régulés par Mesp1 dans le génome entier. Ensuite, nous avons défini et validé la fonction de régions régulatrices liées par Mesp1 pour l’activation de certains de ces gènes cibles. L’analyse de ces sites par enrichissement de motif prédit les cofacteurs potentiels de Mesp1. En utilisant une large gamme de méthodes in vivo et in vitro, nous avons validé que Zic2 et Zic3 agissent comme des cofacteurs essentiels à Mesp1, en régulant sa capacité à ouvrir la chromatine et l’expression de ces gènes cibles. Ensuite, nous avons exploré les mécanismes d’activation des régions régulatrices liées par Mesp1 via des constructions reportrices, démontrant ainsi le potentiel et la spécificité de ces séquences à activer l’expression des gènes spécifiquement dans les progéniteurs cardiaques. Finalement, nous avons réalisé du single-cell RNA-seq et ATAC-seq après l’induction de Mesp1 pendant la différentiation des PSC, ce qui nous a permis de mettre en lumière l’apparition de différents types cellulaires cardiovasculaires par l’induction d’un seul « maître » FT. En conclusion, mon travail expose de nouvelles facettes de la structure et la fonction du réseau de régulation génétique qui contrôle la spécification des PC et enrichit notre savoir sur le développement cardiovasculaire précoce. |
