Melanoma is the most aggressive skin cancer with high recurrence and low survival rate. In addition to genetic mechanisms, resistance also arises from phenotypic heterogeneity in which a proportion of cells, the so-called melanoma stem or initiating cells, survive therapy. Due to a lack of reliable markers, however, there is still debate about the existence of these cells in melanoma. Consistent with phenotypic heterogeneity, previous observations in our laboratory have demonstrated that cells in melanoma can reversibly segregate in vivo into different subpopulations with different properties, such as differentiation or increased invasive capacity (potentially attributed to the existence of de-differentiated stem-like cells). To characterise these cells, a dual reporter lentiviral system was engineered, expressing fluorescent proteins under cell stage/phenotype-specific promoters. The promoters for the transcription factors POU3F2 (Brn2) (to mark de-differentiated cells) and the microphthalmia-associated transcription factor (MITF) (to mark proliferating and differentiated cells) were chosen. Lentivirally-transduced cells were used to screen a library of kinase inhibitors for their potential to affect promoter activity in vitro. The RhoA/ROCK pathway, known to contribute to invasion and metastases, was identified to play a role in Brn2 promoter activity and exhibited differential effects on both the MITF and Brn2 promoters in 501mel and SKmel28 cell lines. Through investigation of other signalling pathways involved in melanoma metastasis, we also identified the co-activator Mastermind-like 1 (MAML1), previously reported to act in the Notch pathway, as an activator of the Brn2 promoter via the transcription factor TCF3, and the MITF promoter through the lymphoid-enhancer binding factor 1 (LEF1). The effects of MAML1 on Brn2 and MITF promoter activity were potentiated by β-catenin. These findings provide new opportunities for the identification of therapeutic targets to prevent metastases formation in melanoma.

Les cellules souches embryonnaires (ES) murines peuvent être différenciées in vitro en une population homogène de neurones glutamatergiques semblables aux neurones présents dans le cortex in vivo, suite à un traitement par l’acide rétinoïque (AR). Bien que le rôle de l’AR soit bien étudié, les facteurs qui spécifient le destin neuronal ne sont pas connus. Nous montrons ici que Pou3f2 (Brn2) est un facteur essentiel à la différenciation neuronale des cellules ES in vitro. L’utilisation de l’approche de différenciation in vitro associée à des techniques de génomique à haut débit (RNA-seq, ChIP-seq) a permis d’identifier des gènes régulés directement ou indirectement par Brn2. Parmi ces gènes se trouvent Ascl1, Hes5 ou Pou6f1, qui sont des gènes clés dans la neurogenèse. La comparaison de nos données avec des expériences précédemment publiées nous a permis d’identifier un nombre restreint de gènes cibles de Brn2 quelque soit le protocole de différenciation utilisé. Parmi ces gènes se trouve Zic1. Nous montrons que Zic1 coopère avec Brn2 pour spécifier le destin neuronal des cellules ES in vitro. / Mouse embryonic stem (ES) cells can be differentiated in vitro into a highly homogenous population of glutamatergic neurons, similar to those present in the cerebellar cortex by treatment with retinoic acid (RA). While the role of RA in differentiation is well studied, the downstream factors that specify the neural fate of the ES cells are not known. Here we show that Pou3f2 (Brn2), with a known role in neuronal differentiation in vivo, is essential for neuronal differentiation of ES cells in vitro. Using our in vitro differentiation protocol combined with high throughput techniques (RNA-seq, ChIP-seq) we show that Brn2 directly and indirectly regulates a set of target genes with essential roles in neurogenesis such as Ascl1, Hes5 or Pou6f1. Integration of these results with previously published datasets allowed us to identify a core set of Brn2 target genes common to each differentiation model. Amongst these is transcription factor Zic1. We show that Zic1 and Brn2 cooperate to specify the neural fate of RA-treated ES cells in vitro.

Le noyau paraventriculaire (PVN) de l'hypothalamus régule une série de phénomènes physiologiques incluant l'équilibre énergétique et la pression artérielle. Nous avons identifié une cascade de facteurs de transcription qui contrôle le développement du PVN. SIM1 et OTP agissent en parallèle pour contrôler la différenciation d'au moins cinq types de neurones identifiables par la production d'OT, AVP, CRH, SS et TRH. Ces Facteurs de transcriptions contrôlent le développement des lignées CRH, AVP et OT en maintenant l'expression de Brn2 qui à son tour est nécessaire pour la différenciation terminale de ces neurones. L'analyse du transcriptome du PVN nous a permis d'identifier plusieurs gènes qui ont le potentiel de contrôler le développement du PVN. Nous voulons développer un paradigme de perte de fonction qui permettrait l'étude de ces gènes candidats sur une grande échelle. Le but de ce projet est de caractériser le PVN en développement de l'amphibien en vue de l'utilisation de ce modèle pour des études fonctionnelles. Nous avons cloné des fragments de cDNA de Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, Ot, AVP et TRH à partir de l'ARN total de Xenopus Laevis. Nous avons adapté notre technique d'hybridation in situ pour caractériser l'expression de ces gènes chez l'amphibien aux stades 33-39, 44, 51, 54, 60, et chez l'adulte. Résultats. Les Facteurs de transcription Sim1, OTP, et Brn2 commencent à être exprimés dans le PVN prospectif au stade 33. L'expression des marqueurs de différenciation terminale devient détectable entre les stades 37 et 39. De façon intéressante, le PVN occupe initialement un domaine de forme globulaire puis à partir du stade 44 s'allonge le long de l’axe dorso-ventral. Cet allongement se traduit par une organisation en colonnes des cellules du PVN que nous n'avons pas observée chez les rongeurs. Le développement du PVN est conservé chez l'amphibien dans la mesure où la relation entre l'expression des facteurs de transcription et des marqueurs de différenciation terminale est conservée. Il existe par ailleurs des différences entre la topographie des PVN des mammifères et de l'amphibien. L'organisation en colonnes de cellules pourrait correspondre à des mouvements de migration tangentielle. Nous sommes maintenant en mesure de tester la fonction des facteurs de transcription dans le PVN par l'approche d'invalidation par morpholinos. / The paraventricular nucleus PVN of the hypothalamus regulates a series of physiological phenomena including the maintenance of energetic balance and arterial blood pressure. We have previously identified a cascade of transcription factors that control the development of the PVN. Sim1 and OTP act in concert to mediate the terminal differentiation of at least five types of neurons identifiable by their production of OT, AVP, CRH, SS and TRH. These transcription factors control the development of the OT, AVP and CRH producing neurons by maintaining the expression of Brn2, which is in turn required for the terminal differentiation of these cell lines. The transcriptome analysis of the PVN allowed us to identify a handful of genes that are potentially implicated in the development of this brain structure. Our goal is to develop a loss of function paradigm that would allow a high troughput study of these candidate genes. The main goal of this project is to characterize the developing PVN in the amphibian in order to use this model in our functional studies of these genes. We have cloned fragments of cDNA of Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, TRH, AVP and OT using Xenopus laevis total RNA. We have also adapted our in situ hybridization technique to characterize the expression of these genes in stage 33-39, 44, 51, 54, 60 and adult amphibian brain. Sim1, OTP and Brn2 are expressed in the prospective PVN as soon as stage 33. The expression of the terminal differentiation markers become detectable between stages 37-39. Interestingly, the PVN is initially restricted to a more globular domain and begins to extend along the dorso-ventral axis at around stage 44. This vertical extension translates into a column organization that we do not observe in rodents. The development of the PVN is well conserved in the amphibian in the sense that the relation between the expression of the different transcription factors and the terminal differentiation markers is conserved. We can also observe some topographical differences between the mammalian and amphibian PVN. The column organization the different PVN cell types might correspond to the tangential migration that is observed in the mouse. We are now well equipped to test the function in the PVN of the known transcripton factors as well as the candidate genes previously identified in our lab using a morpholino-mediated gene knock down.

Le noyau paraventriculaire (PVN) de l'hypothalamus régule une série de phénomènes physiologiques incluant l'équilibre énergétique et la pression artérielle. Nous avons identifié une cascade de facteurs de transcription qui contrôle le développement du PVN. SIM1 et OTP agissent en parallèle pour contrôler la différenciation d'au moins cinq types de neurones identifiables par la production d'OT, AVP, CRH, SS et TRH. Ces Facteurs de transcriptions contrôlent le développement des lignées CRH, AVP et OT en maintenant l'expression de Brn2 qui à son tour est nécessaire pour la différenciation terminale de ces neurones. L'analyse du transcriptome du PVN nous a permis d'identifier plusieurs gènes qui ont le potentiel de contrôler le développement du PVN. Nous voulons développer un paradigme de perte de fonction qui permettrait l'étude de ces gènes candidats sur une grande échelle. Le but de ce projet est de caractériser le PVN en développement de l'amphibien en vue de l'utilisation de ce modèle pour des études fonctionnelles. Nous avons cloné des fragments de cDNA de Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, Ot, AVP et TRH à partir de l'ARN total de Xenopus Laevis. Nous avons adapté notre technique d'hybridation in situ pour caractériser l'expression de ces gènes chez l'amphibien aux stades 33-39, 44, 51, 54, 60, et chez l'adulte. Résultats. Les Facteurs de transcription Sim1, OTP, et Brn2 commencent à être exprimés dans le PVN prospectif au stade 33. L'expression des marqueurs de différenciation terminale devient détectable entre les stades 37 et 39. De façon intéressante, le PVN occupe initialement un domaine de forme globulaire puis à partir du stade 44 s'allonge le long de l’axe dorso-ventral. Cet allongement se traduit par une organisation en colonnes des cellules du PVN que nous n'avons pas observée chez les rongeurs. Le développement du PVN est conservé chez l'amphibien dans la mesure où la relation entre l'expression des facteurs de transcription et des marqueurs de différenciation terminale est conservée. Il existe par ailleurs des différences entre la topographie des PVN des mammifères et de l'amphibien. L'organisation en colonnes de cellules pourrait correspondre à des mouvements de migration tangentielle. Nous sommes maintenant en mesure de tester la fonction des facteurs de transcription dans le PVN par l'approche d'invalidation par morpholinos. / The paraventricular nucleus PVN of the hypothalamus regulates a series of physiological phenomena including the maintenance of energetic balance and arterial blood pressure. We have previously identified a cascade of transcription factors that control the development of the PVN. Sim1 and OTP act in concert to mediate the terminal differentiation of at least five types of neurons identifiable by their production of OT, AVP, CRH, SS and TRH. These transcription factors control the development of the OT, AVP and CRH producing neurons by maintaining the expression of Brn2, which is in turn required for the terminal differentiation of these cell lines. The transcriptome analysis of the PVN allowed us to identify a handful of genes that are potentially implicated in the development of this brain structure. Our goal is to develop a loss of function paradigm that would allow a high troughput study of these candidate genes. The main goal of this project is to characterize the developing PVN in the amphibian in order to use this model in our functional studies of these genes. We have cloned fragments of cDNA of Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, TRH, AVP and OT using Xenopus laevis total RNA. We have also adapted our in situ hybridization technique to characterize the expression of these genes in stage 33-39, 44, 51, 54, 60 and adult amphibian brain. Sim1, OTP and Brn2 are expressed in the prospective PVN as soon as stage 33. The expression of the terminal differentiation markers become detectable between stages 37-39. Interestingly, the PVN is initially restricted to a more globular domain and begins to extend along the dorso-ventral axis at around stage 44. This vertical extension translates into a column organization that we do not observe in rodents. The development of the PVN is well conserved in the amphibian in the sense that the relation between the expression of the different transcription factors and the terminal differentiation markers is conserved. We can also observe some topographical differences between the mammalian and amphibian PVN. The column organization the different PVN cell types might correspond to the tangential migration that is observed in the mouse. We are now well equipped to test the function in the PVN of the known transcripton factors as well as the candidate genes previously identified in our lab using a morpholino-mediated gene knock down.

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Une cascade de facteurs de transcription composée de SIM1, ARNT2, OTP, BRN2 et SIM2 est requise pour la différenciation des cinq types cellulaires qui peuplent le noyau paraventriculaire (PVN) de l’hypothalamus, un régulateur critique de plusieurs processus physiologiques essentiels à la survie. De plus, l’haploinsuffisance de Sim1 est aussi une cause d’hyperphagie isolée chez la souris et chez l’homme. Nous désirons disséquer le programme développemental du PVN, via une approche intégrative, afin d’identifier de nouveaux gènes qui ont le potentiel de réguler l’homéostasie chez l’individu adulte. Premièrement, nous avons utilisé une approche incluant l’analyse du transcriptome du PVN à différents stades du développement de la souris pour identifier de tels gènes. Nous avons comparé les transcriptomes de l’hypothalamus antérieur chez des embryons de souris Sim1+/+ et Sim1-/- à E12.5 issus de la même portée. De cette manière, nous avons identifié 56 gènes agissant en aval de Sim1 dont 5 facteurs de transcription - Irx3, Sax1, Rxrg, Ror et Neurod6. Nous avons également proposé un modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur. Selon ce modèle, les gènes qui occupent un domaine médial dans la zone du manteau caractérisent des cellules qui peupleront le PVN alors que les gènes qui ont une expression latérale identifient des cellules qui donneront plus tard naissance aux structures ventrolatérales de l’hypothalamus. Nous avons aussi démontré que Sim1 est impliqué à la fois dans la différenciation, la migration et la prolifération des neurones qui peuplent le PVN tout comme Otp. Nous avons également isolé par microdissection au laser le PVN et l’hypothalamus médiobasal chez des souris de type sauvage à E14.5 pour en comparer les transcriptomes. Ceci nous a permis d’identifier 34 facteurs de transcription spécifiques au PVN et 76 facteurs spécifiques à l’hypothalamus médiobasal. Ces gènes représentent des régulateurs potentiels du développement hypothalamique. Deuxièmement, nous avons identifié 3 blocs de séquences au sein de la région 5’ d’Otp qui sont conservés chez l’homme, la souris et le poisson. Nous avons construit un transgène qui est composé d’un fragment de 7 kb contenant ces blocs de séquences et d’un gène rapporteur. L’analyse de 4 lignées de souris a montré que ce transgène est uniquement exprimé dans le PVN en développement. Nous avons généré un deuxième transgène dans lequel le fragment de 7 kb est inséré en amont de l’ADNc de Brn2 ou Sim1 et de Gfp. Nous avons obtenu quatre lignées de souris dans lesquels le profil d’expression de Brn2 et de Gfp reproduit celui d’Otp. Nous étudierons le développement du PVN et la prise alimentaire chez ces souris. En parallèle, nous croisons ces lignées avec les souris déficientes en Sim1 pour déterminer si l’expression de Brn2 permet le développement des cellules du PVN en absence de Sim1. En résumé, nous avons généré le premier transgène qui est exprimé spécifiquement dans le PVN. Ce transgène constitue un outil critique pour la dissection du programme développemental de l’hypothalamus. Troisièmement, nous avons caractérisé le développement de l’hypothalamus antérieur chez l’embryon de poulet qui représente un modèle intéressant pour réaliser des études de perte et de gain de fonction au cours du développement de cette structure. Il faut souligner que le modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur semble être conservé chez l’embryon de poulet où il est aussi possible de classer les gènes selon leur profil d’expression médio-latéral et le devenir des régions qu’ils définissent. Finalement, nous croyons que cette approche intégrative nous permettra d’identifier et de caractériser des régulateurs du développement du PVN qui pourront potentiellement être associés à des pathologies chez l’adulte telles que l’obésité ou l’hypertension. / A cascade of transcription factors composed of SIM1, ARNT2, OTP, BRN2 and SIM2 is required for the differentiation of the five major cell types populating the paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus, a critical integrator of several homeostatic processes that are required for the survival of vertebrates. Haploinsufficency of Sim1 also causes isolated hyperphagia in mice and humans. The goal of our study is to dissect the developmental program of the PVN using an integrative approach in order to identify new genes that could potentially be implicated in the regulation of homeostasis in adults. First, we used a comparative approach to analyse the PVN transcriptome at different developmental stages in mice embryos in order to identity new genes implicated in PVN development. We compared gene expression in the anterior hypothalamus of E12.5 Sim1-/- and Sim1+/+ littermate embryos using a microarray approach. We identified 56 genes acting downstream of Sim1 including 5 transcription factors - Irx3, Sax1, Rxrg, Ror and Neurod6. We proposed a model for the development of the anterior hypothalamus. In this model, the genes expressed in the medial domain of the mantle layer characterise cells that will form the PVN and genes expressed in the lateral domain identify cells that will give rise to ventrolateral areas of the hypothalamus. We also showed that Sim1, like Otp, is implicated in the differentiation, migration and proliferation of the neurons populating the PVN. Furthermore, we have isolated by laser captured microdissection the PVN and ARC nucleus in wild type mice at E14.5 and compared their transcriptomes. This technique allowed us to identity 34 transcription factors specific to the PVN and 76 factors specific to the ARC. These genes represent potential regulators of hypothalamic development. Second, we identified 3 blocks of sequence in the 5’ region of Otp that are conserved between human, mouse and fish. We constructed a transgene which included a 7 Kb fragment encompassing these sequences followed by a reporter gene. The analysis of 4 mice strains showed that this transgene is specifically expressed in the prospective PVN. We have generated a second transgene in which the 7 Kb fragment is located upstream of the cDNA encoding Brn2 or Sim1 and Gfp. We obtained 4 mice strains in which the Brn2 and Gfp expression pattern is similar to the Otp expression pattern. These mice will be used to study PVN development and food intake. Also, to determine if Brn2 expression only – without Sim1 gene expression - allows the development of PVN cells, we are presently crossing these mice with Sim1 deficient mice. In conclusion, we have generated the first transgene that is specifically expressed in the PVN. This transgene constitutes a critical tool for dissecting the developmental program of the hypothalamus. Third, we have characterised the development of the anterior hypothalamus of chick embryos which represent an interesting model for loss and gain of function experiments during the development of this brain region. Interestingly, our proposed model for the development of the anterior hypothalamus seems to be conserved in chick embryos. As a matter of fact, it is possible to classify genes according to their medio-lateral expression patterns and the outcome of the regions that they are defining. Finally, we believe that this integrative approach will allow us to identify and characterize factors implicated in PVN development. From a clinical point of view, these factors could potentially be associated with pathologies such as obesity or arterial hypertension.

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