Au cours de ce projet de thèse, j’ai étudié le lien fonctionnel entre la morphogénèse épithéliale et la signalisation Delta-Notch, dans le cadre de la formation du tube neural chez le poisson-zèbre. La signalisation Delta-Notch est primordiale pour le développement embryonnaire et le maintien de l’homéostasie des tissus adultes. De façon inattendue, j’ai observé suite à la perte-de-fonction de Mib une perte de la polarité apico-basale dans le neuro-épithélium de la moelle épinière embryonnaire. L’analyse plus poussée de ce phénotype m’a ensuite permis de montrer que l’activité de l’intégralité de la signalisation Notch est requise pour l’établissement de la polarité apico-basale dans le tube neural de poisson-zèbre. En effet, l’inhibition des ligands de Notch et des activateurs transcriptionnels situés en aval, Rbpja et Rbpjb, résulte en l’interruption de la polarité apico-basale. De plus, l’activation ectopique de Notch entraîne un sauvetage complet de la polarité apico-basale dans les embryons déplétés pour Mib. Finalement, le mutant Mib échoue à activer la transcription de protéines de polarité apicale Crumbs1 et Crumbs2a au cours de la formation du tube neural, ce qui suggèrerait que la signalisation Notch agit en amont des complexes de polarité. De façon surprenante, nous avons également montré que le composant de la signalisation Notch, Mib, affecte les mouvements de convergence-extension et la division cellulaire orientée, appelée C-divisions, durant la neurulation et la gastrulation à travers la signalisation PCP. Cet effet de Mib sur la PCP est indépendant de son rôle sur la signalisation Notch. Généralement, cette étude révèle un double-rôle de Mib. / In this Ph.D. project, I study the functional link between epithelial polarity and Delta-Notch signaling in the context of zebrafish neural tube morphogenesis. Notch signaling, one of the major signaling pathways and of prime importance in neurogenesis, has been widely studied for its function in cell fate specifications. Surprisingly, I found that the Notch signaling component Mindbomb (Mib) loss-of-function led to a loss of apico-basal polarity in the neuroepithelium of the embryonic spinal cord. I further explored that the activity of the entire Notch signaling pathway is actually required for the earliest steps of establishment of apico-basal polarity in the zebrafish neural tube. Indeed, inhibition of Notch ligands and downstream transcriptional activators Rbpja and Rbpjb resulted in a disruption of apico-basal polarity. Moreover, ectopic activation of Notch ensued to a complete rescue of apico-basal polarity in Mib loss of function embryos. Furthermore, Mib mutant embryos fail to upregulate the transcription of the apical polarity proteins Crumbs1 and Crumbs2a in the course of neural tube formation, suggesting that Notch signalling might act upstream of polarity complexes. Moreover, I found that Mib affects convergent-extension movements and oriented cell divisions during neurulation and gastrulation through an effect on planar cell polarity. Remarkably, this effect of Mib on PCP is independent of its role in Notch signaling. These results indicate a novel role of Mib in the regulation of PCP signaling. Altogether, this study revealed a dual role of Mib in the epithelial morphogenesis of the zebrafish neural tube.

Le muscle squelettique adulte est capable de se régénérer à plusieurs reprises après blessure grâce à sa population de cellules souches résidentes: les cellules satellites. Cependant, les mécanismes impliquant les cellules satellite dans la recouvrement de l'homéostasie et de l'intégrité musculaire ne sont toujours pas clairs. Chez l'adulte, les cellules satellites sont quiescentes et localisées dans une niche entre la lame basale et la fibre musculaire. Après blessure, elles prolifèrent, se différencient et fusent afin de restaurer les fibres endommagées. Lorsque la niche des cellules satellite est altérée elles expriment rapidement le marqueur d'activation Myod puis prolifèrent. La lame basale des cellules souches est riche en collagène, glycoprotéines et de protéoglycan. Cependant, le mécanisme de fonction de ces protéines de la matrice extracellulaire (MEC) dans le maintien de la cellule satellite dans sa niche est toujours inconnu. De plus, l'interaction entre la MEC et des voies de signalisation cellulaire essentielles au maintien des cellules souches quiescentes sont toujours un mystère. Nous avons identifiés la voie Notch comme effecteur indispensable à la quiescence des cellules satellites. Un ChIP screening dans des cellules musculaires nous a permit d'identifier des microRNAs et collagènes spécifiques comme des gènes cibles de la voie Notch. L'utilisation d'outils génétiques permettant de moduler l'activité de la voie Notch démontrent que ces microRNAs et collagènes sont régulés transcriptionnellement par la voie Notch in vitro et in vivo. Nous proposons que le Collagène de type V et miR-708, induits par Notch, peuvent autoréguler la niche des cellules souches. / Adult skeletal muscles can regenerate after repeated trauma, yet our understanding of how adult muscle satellite (stem) cells (MuSCs) restore muscle integrity and homeostasis after regeneration is limited. In the adult mouse, MuSCs are quiescent and located between the basal lamina and the myofibre. After injury, they re-enter the cell cycle, proliferate, differentiate and fuse to restore the damaged fibre. A subpopulation of myogenic cells then self-renews and replenishes the stem cell pool for future repair. When MuSCs are removed from their niche, they rapidly express the commitment marker Myod and proliferate. The basal lamina that ensheaths MuSCs is rich in collagens, non-collagenous glycoproteins and proteoglycans. Whether these and other extracellular matrix (ECM) proteins constitute functional components of MuSCs niche remains unclear. Moreover, although signalling pathways that maintain MuSCs quiescence have been identified, how these regulate stem cell properties and niche composition remains largely unknown. Sustained, high activity of the Notch signalling pathway is critical for the maintenance of MuSCs in a quiescence state. Of interest, whole-genome ChIP for direct Notch/Rbpj transcriptional targets identified specific micro-RNAs and collagen genes in satellite cells. Using genetic tools to conditionally activate or abrogate Notch signalling, we demonstrate that the expression of these target genes is controlled by the Notch pathway in vitro and in vivo. Further, we propose that Collagen V and miR708 can contribute cell-autonomously to the generation of the MuSCs niche via a Notch signalling-regulated mechanism.

Le développement et la fonction des cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs) doivent être finement régulés afin d’éviter le développement de maladies auto-immunes ou de leucémies. Il a été montré récemment qu’une fraction des leucémies humaines dérivées des pDCs possède des mutations de type perte de fonction dans le locus IKZF1 qui code pour le facteur de transcription Ikaros. Ainsi l’étude de la fonction d’Ikaros dans les pDCs pourrait aider à comprendre son possible rôle de gène suppresseur de tumeur. Les souris hypomorphiques pour Ikaros (IkL/L) ne possèdent pas de pDCs matures dans la rate et les ganglions lymphatiques mais accumulent des pDCs immatures dans la moelle osseuse (MO). De manièreintéressante, les pDCs de MO IkL/L montrent une activation ectopique de la voie Notch. Nous avons trouvé qu’un inhibiteur de gamma-secrétase (GSI), qui inhibe la voie Notch, permet de restaurer la différenciation de pDCs fonctionnelles dans les cultures de cellules de MO. Les principaux progéniteurs dendritiques affectés par le GSI sont le progéniteur myéloïde commun (CMP) et le progéniteur des macrophages et des cellules dendritiques (MDP). Comme le GSI inhibe la voie Notch, nous avons aussi inactivé RBPJ, le facteur de transcription situé en aval des récepteurs Notch. Contre toute attente, l’inactivation de RBPJ ne récapitule pas les effets observés avec le GSI. De plus, les cellules IkL/L déficientes pour RBPJ continuent de répondre au GSI, ce qui suggère que le GSI possède d’autres cibles en plus de la voie Notch dans ce système. Nos données montrent ainsi qu’Ikaros est requis pour la différenciation terminale des pDCs et qu’il agit en partie en bloquant une voie GSI dépendante Notch indépendante. / The development and function of plasmacytoid dendritic cells (pDCs) must be tightly regulated to prevent autoimmune disease or leukemia. It was recently discovered that a fraction of human pDC-derived neoplasms exhibit loss of function mutations of the IKZF1 locus, which encodes the Ikaros transcription factor. Deciphering the function of Ikaros in pDCs could thus help understand its probable tumor suppressor function. Mice hypomorphic for Ikaros (IkL/L) are devoid of mature pDCs in the spleen and lymph nodes but accumulate immature pDCs in the bone marrow (BM). Interestingly IkL/L BM pDCs exhibit an ectopic activation of the Notch pathway. We found that a gamma secretase inhibitor (GSI), which inhibits Notch signalling,rescues the differentiation of functional pDCs in BM cultures. The main dendritic cell progenitors affected by GSI are the common myeloid progenitors (CMP) and the macrophage and dendritic cell progenitors (MDP). As GSI inhibits the activation of the Notch pathway, we also inactivated RBPJ, the transcriptional effector of the Notch pathway. Surprisingly, RBPJ inactivation did not recapitulate the effect of GSI. Moreover, RBPJdeficient IkL/L cells still respond to GSI, demonstrating that GSI targets additional events besides Notch in this system. Our data thus show that Ikaros is required for terminal differentiation of pDCs, and acts in part by blocking a Notch independent GSI-sensitive pathway.

La thrombopoïétine (TPO) favorise successivement la prolifération et la maturation des progéniteurs mégacaryocytaires, soulevant la question du mécanisme expliquant cette dualité d'action. La signalisation SCF/ c-Kit est essentielle pour la prolifération de tous les progéniteurs hématopoïétiques, alors que l'extinction de l'expression du récepteur c-Kit est requise pour l'engagement en différenciation terminale. Réciproquement, l'équipe a montré que la stimulation de la voie Notch affecte une sous-population de progéniteurs bipotents érythro-mégacaryocytaires exprimant fortement CD9 (tétraspanine induite durant la maturation mégacaryocytaire) et favorise la reprise de leurs divisions au détriment de leur différenciation mégacaryocytaire terminale. Cet effet de la voie Notch s'accompagne d'une augmentation de l'expression de c-Kit. Ces observations m'ont conduite à m'intéresser aux mécanismes de régulation de c-Kit par la TPO en m'appuyant sur un modèle de progéniteurs bipotents immortalisés et dont la prolifération est strictement dépendante de la TPO (cellules G1ME). Les travaux réalisés durant ma thèse m'ont permis d'établir que (i) La stimulation des cellules G1ME par le ligand de Notch DLL1 favorise l'expression de c-Kit et réprime celle de CD9 (ii) L'activation inattendue de c-Kit par la TPO contribue à la prolifération (iii) c-Kit contribue activement à restreindre la polyploïdisation des cellules G1ME en présence de TPO (iv) La tétraspanine CD9 elle-même réprime l'expression de c-Kit à la membrane. Sur la base de ces résultats, nous proposons le modèle selon lequel, la TPO participerait à la fois à la prolifération des progéniteurs du fait de sa capacité à activer c-Kit, mais contribue aussi à l'augmentation de l'expression de CD9 qui en atteignant un seuil suffisant conduit à l'extinction de l'expression de c-Kit à la surface, entrainant alors l'arrêt des divisions et la différenciation mégacaryocytaire terminale / The Thrombopoietin (TPO) favors both the proliferation and the maturation of megakaryocytic progenitors, raising the question of the molecular mechanism explaining its dual function. SCF/ c-Kit signaling is essential for all hematopoietic progenitors amplification, whereas terminal differentiation requires the extinction of c-Kit receptor expression. Reciprocally, we evidenced in our team that Notch stimulation enables the induction of c-Kit expression and act on a particular subpopulation of bipotent erythro-megakaryocytic progenitors highly expressing the tetraspanin CD9 (induced during megakaryocytic maturation) and favors their re-entry in a cycling state by blocking their megakaryocytic maturation. These observations lead to the investigation of the molecular mechanism of c-Kit regulation by TPO in a cellular model of bipotent progenitors immortalized and dependent on TPO, the G1ME cells. During my thesis, I evidenced that: i) Notch stimulation induces the expression of c-Kit while repressing CD9 expression; ii) Surprisingly TPO is able to activate c-Kit allowing its contribution to cell proliferation; iii) c-Kit also represses megakaryocytic polyploidization (endomitosis characterizing megakaryocytic maturation) of G1ME cells; iv) The tetraspanin CD9 represses the expression of c-Kit. The ensemble of these data allows us to propose the following model wherein TPO activates c-Kit allowing the proliferation of megakaryocytic progenitors, while concomitantly induces the expression of the tetraspanin CD9 that will reach a sufficient level to provoke the extinction of c-Kit expression at the cell surface, thus enabling the arrest of cell cycling progress and the engagement into terminal megakaryocytic maturation

O epitélio pulmonar é formado por uma grande diversidade celular, que incluí: células secretoras, ciliadas, basais e neuroendócrinas (NE). A distribuição balanceada destes tipos celulares é crucial para a função pulmonar e pode ser dramaticamente alterada em doenças como a asma. Neste trabalho, estudamos o papel de Notch no pulmão em desenvolvimento ao inativar condicionalmente Rbpjk ou Pofut1, componentes críticos da sinalização Notch. Pulmões mutantes apresentaram-se superpopulados por células ciliadas e NE, além da ausência de células de Clara. Nossos dados sugeriram que Notch suprime os programas de diferenciação de células ciliadas e NE para permitir a diferenciação de células de Clara, através de um mecanismo de inibição lateral. Identificamos também genes associados com a diferenciação de células secretoras e ciliadas através de microarrays. A heterogeneidade no padrão de expressão gênica sugeriu que a via de sinalização Notch estabelece múltiplos subtipos de células ciliadas e secretoras no epitélio pulmonar em desenvolvimento. / The airway epithelium comprises a diverse population of secretory, ciliated, basal and neuroendocrine cells (NE). The proper balance of these cell types is critical for normal lung function and can be altered dramatically in conditions, such as asthma. We studied the role of Notch in airway progenitor cell fate by conditionally inactivating Rbpjk or Pofut1, two critical Notch pathway components in mouse mutants. This resulted in airways overpopulated with ciliated and NE cells and absence of secretory Clara cells. We found that Notch suppresses the ciliated and the NE cell programs to allow secretory cell differentiation through a lateral inhibition mechanism. We also identified genes associated with the differentiation of secretory and ciliated cells through a microarray gene profiling experiment. The great heterogeneity of gene expression patterns suggested that Notch plays a role in establishing multiple subsets of secretory and ciliated cells in the developing lung.

Notch receptors and ligands are single-pass transmembrane proteins which play important roles in cell-cell communication. Notch in ‘harmony’ with other signaling pathways regulate the entire diversity of metazoan life (Artavanis-Tsakonas & Muskavitch, 2010). These signaling pathways also play key roles in regulatingseveral developmental processes. Given the importance of Notch signaling in various developmental decisions, it is not surprising that aberrant gain or loss-of-function of Notch pathway leads to several human diseases including cancer (Ranganathan et al, 2011). Notch signaling has also been implicated in various human cancers, most notably in T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) (Weng et al, 2004). In view of the importance of Notch signaling in cancers, therapeutic molecules targeting this pathway are making their way into clinical trials (Rizzo et al, 2008). This underscores the importance of understanding the mechanism of Notch receptor activation in normal and patho-physiological conditions. In this thesis, antibodies against different domains of human Notch1 receptor have been used as tools to understand the mechanism of receptor activation. This work has provided insights into the role of Notch1 extracellular domain in ligand-dependent receptor activation. Further, the mechanism of ligand-independent receptor activation in T-ALL associated mutant Notch1 has also been investigated. This understanding of ligand-dependent and independent receptor activation facilitated development of mechanistic inhibitors of Notch signaling for therapeutic targeting of the cancer stem cells (CSCs) across the pectrum of cancers. The thesis is divived into two parts. Part-I focuses on understanding the role of Notch1 extracellular domain in receptor-ligand interactions using antibodies as a tool. In part-II, implications of these antibodies in therapeutic targeting of CSCs has been investigated. Part-I Unfolding the Mechanism of Notch1 Receptor Activation The extracellular domain of Notch1 receptor consists of 36 EGF-like repeats that contribute to ligand binding (Kopan & Ilagan, 2009). Despite extensive studies on the downstream consequences of Notch signaling, the initial events of ligandreceptor interactions have not been clearly elucidated. In the absence of structural insights into the receptor-ligand interactions, it was important to decipher the roles of various receptor domains in ligand-binding and consequent signaling. In this study, antibodies have been employed as tools for in-depth analyses of Notch receptorligand, interactions. Studies in Drosophila Notch receptor suggest that EGF-like repeats 11-12 are necessary and sufficient for ligand binding (Rebay et al, 1991). However, the role of these repeats in human Notch1 receptor-ligand interaction(s) was not clearly elucidated. Antibodies were generated against Notch1 EGF-like repeats 11-15. Further, these antibodies were characterized for their specificity for Notch1 receptor in various ligand-binding and signaling assays. The results suggest that the monoclonal antibodies (MAbs) against EGF-like repeats 11-12 were more potent inhibitors of ligand-binding compared to the antibodies against EGF-like repeats 13-15. As a part of these investigations, the Notch ligands Jagged1 and Jagged2, Delta-like1 and Delta-like4 were purified and characterized in various assays. Ability of these ligands to interact with Notch1 EGF-like repeat 11-15 was determined using Surface Plasmon Resonance. The Jagged family of ligands demonstrated higher affinity for this recept or fragment when compared to the Delta family of ligands. The relatively low affinities (μM) of all the ligands suggested possibile involvement of other EGF-like repeats in ligand-binding. This was further investigated using antibodies against other EGF-like repeats of Notch1. In Drosophila Notch EGF-like repeats 24-29 have been implicated in the ligand-dependent gain-of-function phenotype, suggesting a plausible involvement of this region in receptor activation (Pei & Baker, 2008). Therefore, role of human Notch1 EGF-like repeats 21-30 in ligand-binding and signaling was investigated. These EGF-like repeats demonstrated specific interaction with the ligand-binding domain (EGF-like repeats 11-15). This suggested that in the absence of the ligand, these inter-domain interactions keep the receptor in an auto-inhibited conformation. Further, ligand binding to EGF-like repeats 11-15 dissociated pre-formed interdomain interactions. These results suggested that, the binding of ligand to EGF-like repeat 11-12 overcomes the negative constraint imposed by the intra-domain interactions which might lead to receptor activation. Next, to understand the role of EGF-like repeats 21-30 in ligand binding, polyclonal antibodies were generated against the same and extensively characterized in various solid-phase and cell-based assays. These antibodies demonstrated partial inhibition of ligand-binding. Further, using immunoaffinity purified antibodies it was demonstrated that antibodies against EGF-like repeats 25-26 were most potent inhibitors of ligand-binding compared to antibodies against EGF-like repeats 21-24 and 27-30. These results provided novel insights into Notch1 receptor activation. The model proposed on the basis of these results suggested that ligand-binding to EGF-like repeats 11-12 competes with the inter-domain interaction, in turn dissociating EGF-like repeats 21-30 from the ligandbinding domain. It emerged that this altered conformation of the receptor creates a secondary ligand-binding site at EFG-like repeats 25-26. Overall these results provided novel insight into the mechanism of Notch receptor-ligand interaction(s). Part-II Implication in Cancer Stem Cell Targeting Recent studies have suggested existence of the CSC population in various cancers (Clevers, 2011). Notch signaling plays an important role in maintenance of these CSCs (Pannuti et al, 2010). Thus, targeting Notch signaling may provide a potential therapeutic tool for CSC targeting. Several studies have indicated that Notch1 receptor and ligands are overexpressed in breast cancer cells compared to the normal breast epithelium (Mittal et al, 2009; Reedijk et al, 2005; Reedijk et al, 2008). Moreover, it has been suggested that Notch1 signaling plays a key role in breast carcinogenesis (Stylianou et al, 2006). Monoclonal antibodies (MAbs) were used as mechanistic inhibitors of aberrant Notch1 signaling for therapeutic targeting of CSCs. One such antibody, MAb 602.101, against Notch1 ligand-binding domain (EGF-like repeat 11-12) inhibited proliferation and depleted breast CSCs. This MAb also modulated genes associated with stemness and epithelial to mesenchymal transition (EMT). Furthermore, MAb 602.101 irreversibly inhibited the sphere-forming potential of breast cancer cells by modulating long-term self renewing capacity of breast CSCs. Inhibition of Notch1 signaling by the MAb also depleted the chemoresistant CD44Hi/CD24Low sub-population in breast cancer cells. Interestingly, antibody treatment led to elevated expression of genes associated with myoepithelial lineage, which suggested that inhibition of Notch1 signaling might induce a differentiation program leading to reduction in the CSC population. This study demonstrated the importance of Notch1 signaling in CSCs and effectiveness of antibodies as a tool for specific targeting of individual Notch receptors in cancer therapeutics. While aberrant expression of receptors and ligands leads to breast cancer (Reedijk et al, 2005), gain-of-function mutations are associated with 40-50% of TALL\ patients (Weng et al, 2004). These mutations lead to ligand-independent receptor activation (Malecki et al, 2006). Despite several attempts of successful antibodymediated therapeutic targeting of Notch1 (Aste-Amézaga et al, 2010; Wu et al, 2010), specific antibodies recognizing T-ALL associated mutant Notch1 remains elusive. Using homology modeling, the mutation induced conformational change in T-ALL associated mutant Notch1 was predicted. These results suggested that mutation led to conformational changes in the Notch1 negative regulatory region (NRR) This conformation change might result in the constitutive activation of Notch1 signaling leading to pathogenesis. Next, MAbs were generated against the wild-type Notch1 NRR and characterized in flow-cytometry based assays for identification of conformation specific antibodies. These antibodies were classified as either wild-type specific, mutant specific or unbiased to receptor conformations. One such mutant specific MAb 604.107 demonstrated higher binding to mutant Notch1 in flowcytometer and SPR based experiments. This MAb also demonstrated specific inhibition of T-ALL associated mutant Notch1 signaling without affecting the wildtype signaling. Moreover, antibody treatment also inhibited proliferation and depleted leukemia initiating sub-population in patient derived T-ALL cells. Taken together, this study provides a novel tool for specific targeting of mutant Notch1 receptors in TALL. CSCs are inherently chemo-resistant and lead to tumor relapse (Chen et al, 2012). Recent studies have demonstrated a strong correlation between Notch1 signaling in lung CSCs and chemotherapy resistance (Hassan et al, 2013). In this study, Notch1 heterogeneity in solid tumors viz. breast and colon cancers was investigated. Using the antibodies generated previously in this study, Notch1High and Notch1Low sub-populations from MDA-MB-231 (breast cancer) and HCT-116 (colon cancer) cell lines were flow-sorted. It was demonstrated that the Notch1High subpopulation represented the sphere-forming CSCs in breast and colon cancer. The Notch1High sub-population also demonstrated chemo-resistant properties and expressed higher level of EMT and stemness markers. These results suggested explicit involvement of Notch1 signaling in EMT and maintenance of CSCs subpopulation in these cancers. The anti-Notch1 MAb also inhibited proliferation of the chemo-resistant Notch1High sub-population. Further, treatment with MAb inhibited expression of ABCC1 transporters in these drug-resistant cells leading to augmentation of chemotherapeutic response. Using mouse xenograft assays, it was demonstrated that Notch1 signaling plays an important role in the maintenacne of tumor-initiating sub-population in breast and colon cancer cells. Prior exposure of breast and colon cancer cells to MAb inhibited the tumor forming potential of these cells in xenotransplantation assays. Treatment with MAb alone or in combination with chemotherapy led to regression of pre-formed tumors in breast and colon xenograft models. These results demonstrated existence of Notch1 heterogeneity in breast and colon cancer cells and emphasised the importance of targeting Notch1 signaling to overcome drug-resistance in these cancers. The results described above have provided important insights into Notch1 receptor activation and this understanding was translated into therapeutic targeting of CSCs. This “proof-of-principle” demonstration has significant mechanistic and applied implications in Notch and cancer biology.

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales. / Central nervous system (CNS) development in vertebrates is an extremely complex process that requires tight molecular control. Some very early expressed genes during embryonic development are of tremendous importance for CNS development. Among those, we find the LIM homeodomain protein Lhx2. Embryos that lack Lhx2 (Lhx2-/-) suffer from cerebral cortex hypoplasia, are anophtalmic and have smaller liver. The mutant embryos die in utero at embryonic day 16 (e16) due to a deficit in mature erythrocytes. The principal objective of this thesis was to characterize the molecular function of Lhx2 in eye and cerebral cortex development. Lhx2 is a part of the homeodomain transcription factors expressed in the anterior neural plate along with Rx, Pax6 and Six3. Eye development starts by a bilateral evagination of this region. We show here that Lhx2 expression is crucial for the first steps of eye formation. Indeed, in absence of Lhx2, Rx, Six3 and Pax6 expression is delayed in the anterior neural plate. At the optic vesicle stage, Lhx2 mutation precludes the initiation of Six6 expression (an homeodomain transcription factor essential for eye development). We demonstrate that Lhx2 and Pax6 bind to Six6 promoter and cooperate for its trans‐activation. So, Lhx2 is essential for retinal identity determination in the neural plate. Later on, it cooperates with Pax6 to establish definitive retinal identity and promote cell proliferation. Lhx2 is strongly express in the telencephalon, the embryonic region that will give rise to cerebral cortex. Lhx2 ablation causes a decrease in neural progenitor cells proliferation in this region. We show that the lack of Lhx2 causes a premature differentiation of the radial glia cells into intermediate progenitors and post‐mitotic neurons. These phenotypes correlate with a decrease activity of the Notch pathway. In Lhx2-/- telencephalon, the atypical Notch‐ligand DNER is strongly overexpressed. Furthermore, Lhx2 and co‐repressors associate at the DNER promoter region. We conclude that Lhx2 allows Notch pathway activation in the developing cerebral cortex. It does so by inhibiting DNER transcription, which is a Notch pathway repressor in this particular context. Thus, Lhx2 allows the maintenance and the proliferation of neural progenitor cells.

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales. / Central nervous system (CNS) development in vertebrates is an extremely complex process that requires tight molecular control. Some very early expressed genes during embryonic development are of tremendous importance for CNS development. Among those, we find the LIM homeodomain protein Lhx2. Embryos that lack Lhx2 (Lhx2-/-) suffer from cerebral cortex hypoplasia, are anophtalmic and have smaller liver. The mutant embryos die in utero at embryonic day 16 (e16) due to a deficit in mature erythrocytes. The principal objective of this thesis was to characterize the molecular function of Lhx2 in eye and cerebral cortex development. Lhx2 is a part of the homeodomain transcription factors expressed in the anterior neural plate along with Rx, Pax6 and Six3. Eye development starts by a bilateral evagination of this region. We show here that Lhx2 expression is crucial for the first steps of eye formation. Indeed, in absence of Lhx2, Rx, Six3 and Pax6 expression is delayed in the anterior neural plate. At the optic vesicle stage, Lhx2 mutation precludes the initiation of Six6 expression (an homeodomain transcription factor essential for eye development). We demonstrate that Lhx2 and Pax6 bind to Six6 promoter and cooperate for its trans‐activation. So, Lhx2 is essential for retinal identity determination in the neural plate. Later on, it cooperates with Pax6 to establish definitive retinal identity and promote cell proliferation. Lhx2 is strongly express in the telencephalon, the embryonic region that will give rise to cerebral cortex. Lhx2 ablation causes a decrease in neural progenitor cells proliferation in this region. We show that the lack of Lhx2 causes a premature differentiation of the radial glia cells into intermediate progenitors and post‐mitotic neurons. These phenotypes correlate with a decrease activity of the Notch pathway. In Lhx2-/- telencephalon, the atypical Notch‐ligand DNER is strongly overexpressed. Furthermore, Lhx2 and co‐repressors associate at the DNER promoter region. We conclude that Lhx2 allows Notch pathway activation in the developing cerebral cortex. It does so by inhibiting DNER transcription, which is a Notch pathway repressor in this particular context. Thus, Lhx2 allows the maintenance and the proliferation of neural progenitor cells.

La destruction des cellules ciliées de la cochlée entraine des surdités sensorielles. Chez les mammifères ces cellules ne se régénèrent pas et les déficits auditifs occasionnés sont définitifs. Aucune thérapie visant à remplacer les cellules ciliées détruites n'est actuellement proposée.L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement d'une thérapie cellulaire basée sur la greffe de cellules souches / progénitrices cochléaires et destinée à promouvoir la régénération des cellules ciliées.Au cours de nos travaux, nous avons isolé une population de cellules souches cochléaires chez des souris néonatales appartenant à la « side population » (Savary et al. 2007). Nous avons également montré, par des expériences de perte et de gain de fonction in vitro, que la voie de signalisation Notch est nécessaire pour l'auto-renouvellement et la différenciation de ces cellules (Savary et al., 2008). Des lignées de souris transgéniques exprimant la GFP sous le promoteur de la GFAP et de la Nestine nous ont permis de suivre l'expression de ces marqueurs de cellules souches dans des cochlées de souris P3 et adultes. En étudiant l'expression combinée d'autres marqueurs comme Sox2 et Abcg2, nous avons montré que les cellules progénitrices cochléaires sont réparties différemment chez les souris néonatales et les souris adultes (Smeti, Savary et al 2010).Nos expériences préliminaires de transplantation in vitro dans un modèle murin de surdité génétique humaine de type DFNA15 démontrent que les cellules souches / progénitrices greffées sont capables d'intégrer l'épithélium sensoriel lésé et de se différencier en cellules exprimant un marqueur de cellules ciliées. / The destruction of cochlear hair cells causes sensory deafness. In Mammals these cells do not regenerate and damages are irreversible. Currently, there is no proposed therapy to replace the destroyed hair cells.The focus of this thesis is to develop a novel cell therapy based on transplantation of cochlear progenitor cells in order to promote regeneration of hair cells.We first isolated a population of cochlear stem cells from neonatal mice by using the side population analysis technique (Savary et al. 2007). Then, we showed, by in vitro loss and gain of function experiments, that the Notch signaling pathway is necessary for cellular self-renewal and differentiation (Savary et al., 2008).Transgenic mice strains expressing GFP under the control of GFAP and Nestin promotors allowed us to monitor the expression of these markers of stem cells in the P3 and adult mice cochleae. By studying the combined expression of other stem cells markers such as Sox2 and ABCG2, we showed that the niches of cochlear progenitor cells are differently distributed in neonatal and adult mice (Smati, Savary et al 2010).Our preliminary in vitro transplantation experiments in a mouse model that mimics human genetic deafness DFNA15 show that the transplanted stem / progenitor cells are able to migrate to the lesion site, to integrate the damaged sensory epithelium and to differentiate into cells expressing a marker of hair cells.

Le cœur des vertébrés se développe à partir du tube cardiaque et de la participation des cellules progénitrices mésodermiques du second champ cardiaque (SHF). Une perturbation de l’addition des cellules du SHF conduit à des malformations cardiaques congénitales (MCC). Chez l’embryon, l’outflow tract (OFT) dérivé du seul SHF est formé par deux domaines complémentaires qui formeront le myocarde sous-aortique et sous-pulmonaire. Ce travail analyse les cellules progénitrices du SHF qui contribuent aux deux domaines de l’OFT pour former la base de l’aorte et du tronc pulmonaire, l’identité transcriptionnelle des domaines et leur régulation. Nous avons mis en évidence une sous-population de cellules progénitrices Notch-dépendantes, situées en région antérieure du mésoderme pharyngé, qui contribue au myocarde sous-aortique. Nous avons démontré que des cascades de régulation croisées impliquant Notch/Hes1 et Tbx1/Pparg sont importantes pour former les deux domaines fonctionnels régionalisés de l’OFT. Des expériences de culture d’explants et d’embryons ont démontré que Pparg est nécessaire au déploiement des cellules du SHF et pour la régulation transcriptionnelle du futur myocarde sous-pulmonaire. Dans le domaine complémentaire, futur myocarde sous-aortique, nous avons observé l’expression de Dlk1, un régulateur négatif de Pparg. Dlk1 est en amont de la voie de régulation Notch et participe probablement à l’identité régionale de l’OFT. Dans son ensemble, ce travail identifie de nouvelles voies de signalisation et gènes qui régulent l'identité régionale du mésoderme cardio-pharyngé et de nouvelles cibles pour l’étude clinique des MCC. / The vertebrate heart develops from the heart tube and the contribution of mesodermal progenitors termed second heart field (SHF). Perturbation in SHF addition leads to congenital heart defects (CHD). The outflow tract (OFT) myocardium is entirely derived from the SHF. Distinct regions of the embryonic OFT have been shown to give rise to subaortic and subpulmonary myocardium of the heart. The work described here focuses on SHF progenitor subpopulations in mouse giving rise to distinct OFT domains and characterizes the regional transcriptional identity and regulation of future subaortic and subpulmonary myocardium. We identified Notch-dependent subaortic myocardial SHF progenitors in anterior pharyngeal mesoderm. We demonstrated that Notch/Hes1 and Tbx1/Pparg cross regulatory cascades are important to establish functionally important OFT regional domains. Explant and embryo culture experiments revealed that Pparg is required for both the deployment of SHF cells and transcriptional regulation of the future subpulmonary myocardial domain. We also found that Dlk1, a negative regulator of Pparg, is expressed in the complementary subaortic domain upstream of Notch receptor activation and potentially participates in the establishment of OFT regional identity. We also report an overlapping transcriptional profile between future subaortic myocardium and subpopulation of epicardial cells at fetal stages. Finally, we provide evidence for the existence of conserved bipotential myogenic progenitors in cardiopharyngeal mesoderm coexpressing Nkx2-5 and Tbx1. Overall this work identifies novel pathways and genes in cardiopharyngeal mesoderm that may contribute to clinically relevant CHD.