Les cellules souches embryonnaires (ESCs) sont dérivées d'embryons au stade blastocyste. Elles sont caractérisées par la capacité de se diviser et de maintenir un phénotype indifférencié et en présence de stimuli, de se différencier en cellules spécialisées dérivées des trois feuillets embryonnaires, c'est la pluripotence. Elles sont un outil puissant pour modéliser des maladies génétiques à des fins de découvertes en recherche fondamentale et aussi dans un but d’applications cliniques. Les mESCs sont maintenues pluripotentes in vitro en présence de LIF (Leukemia Inhibitor Factor), une cytokine de la famille des Interleukines 6 (IL6) présentant des effets pléiotropes en fonction du type et de la maturité cellulaire. Le retrait de LIF conduit à la différenciation hétérogène des mESCs dont une partie meurt par apoptose. Lors du retrait de LIF, les cellules entrent séquentiellement dans des phases d'engagement réversible (jusqu'à 36h après retrait du LIF) et irréversible, au cours desquelles la re-stimulation par le LIF induit des effets différents. Afin de mieux caractériser cet effet de LIF, nous avons mis au point un « test de plasticité » in vitro et avons étudié l'impact de paramètres environnementaux qui pourraient moduler cette plasticité dans les mESCs. Nous avons montré que la MMP1 (Matrix Metalloproteinase 1), qui peut remplacer le LIF dans le maintien de la pluripotence, est moins efficace pour le maintien de la plasticité cellulaire des mESCs. Nous avons aussi montré que les mESCs restent pluripotentes et plastiques à 3% d'O2, in vitro, et qu’elles se caractérisent par un nouvel équilibre d'expression des gènes et des protéines en comparaison à 20% d'O2. / Embryonic Stem Cells (ESCs) are derived from embryo at the blastocyst stage. These cells are characterized by their properties of self-renewal and pluripotency: ability to divide and maintain an undifferentiated phenotype and to differentiate into specialized cells of the three primary germ layers in the presence of stimuli. ESCs are a powerful tool to modelize genetic diseases for fundamental research and clinical applications. Mouse Embryonic Stem Cells (mESCs) are maintained pluripotent in vitro in the presence of Leukemia Inhibitory Factor (LIF), an Interleukin 6 (IL6) cytokine family member which displays pleiotropic functions, depending on both maturity and type of cells. LIF withdrawal leads to heterogeneous differentiation of mESCs and part of the differentiated cells die by apoptosis. During the kinetics of LIF withdrawal, we show that cells enter a LIF-dependent reversible (up to 36h of LIF withdrawal) and irreversible phase of differentiation in which LIF-restimulation induces differential effects. To better characterize this period and LIF-dependent processes, we settled up an in vitro « plasticity test » and investigated the impact of environmental parameters that could regulate cell plasticity in mESCs. Our results reveal that the Matrix Metalloproteinase 1 (MMP1), which can replace LIF cytokine for maintenance of mESCs pluripotency, mimics its effects in the plasticity window, but with less efficiency. In addition, we demonstrate that mESCs maintain plasticity and pluripotency potentials in vitro, under 3% O2 (physioxic condition) with a new equilibrium of gene and protein expression levels compared to 20% O2.

L’acquisition d'une identité cellulaire différenciée est souvent considérée comme définitive et figée dans le temps; or un nombre croissant d’études démontre que les cellules différenciées peuvent faire preuve de plasticité sous certaines conditions. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, notre laboratoire a établi un modèle unique chez Caenorhabditis elegans (C. elegans) permettant l’étude d’un événement de transdifférenciation dans un contexte physiologique à l'échelle de cellules uniques. Au cours du développement, une cellule épithéliale du rectum de C. elegans, nommé Y, va migrer antérieurement puis changer d’identité pour devenir un motoneurone nommé PDA. Les travaux préliminaires du laboratoire ont montré que la voie de signalisation LIN-12/Notch est le signal le plus précoce nécessaire pour le bon déroulement de la transdifférenciation de Y en PDA. Nous avons pu mettre en évidence : i) que lors de l’embryogénèse, deux ligands canoniques (apx-1 et lag-2) semblent agir de façon redondante afin d’activer la voie Notch. ii) l’activation ectopique et contrôlée de la voie Notch est suffisante pour induire la formation d’un second neurone PDA. iii) Les facteurs nucléaires que le laboratoire a identifiés comme cruciaux pour l'initiation de cet évènement de TD sont également importants pour la reprogrammation induite de cette deuxième cellule en neurone PDA par l'activation ectopique de Notch. iv) La suractivation prolongée de la voie Notch dans la cellule Y maintien l’identité épithéliale de cette dernière, ayant pour conséquence le blocage de la transdifférenciation de Y en PDA. L’ensemble de nos résultats montrent que la voie Notch est nécessaire et suffisante afin d’établir la compétence à transdifférencier et que cela ne peut être réalisé que si la voie Notch est régulée de façon très précise dans la cellule Y. / The acquisition of a differentiated cell identity is often considered as final and frozen in time. However, a growing number of studies showed that differentiated cells can exhibit plasticity under certain conditions. To better understand these cell plasticity phenomena, our laboratory has developed a unique model in Caenorhabditis elegans (C. elegans) to study a transdifferentiation event in a physiological context and at the single-cell level. During the worm development, an epithelial rectal cell, named Y, will migrate anteriorly and change its identity to become a neuron named PDA. Preliminary work performed by our laboratory showed that the LIN-12/Notch signalling pathway is the earliest signal necessary for the proper conduct of the transdifferentiation of Y into PDA. In our study, we showed that: i) during embryogenesis, two canonical ligands (apx-1 and lag-2) appear to act redundantly to activate the Notch pathway in Y. ii) ectopic and controlled activation of the Notch pathway is sufficient to induce formation of a second PDA neuron. iii) Nuclear factors indentified in our laboratory as crucial for the initiation of this event are also important for transdifferentiation of the second PDA obtained by ectopic activation of Notch. iv) A prolonged activation of the Notch pathway in the Y cell maintains its epithelial identity, which results in the inhibition of the transdifferentiation of Y into PDA. Together, our results showed that the Notch pathway is necessary and sufficient to establish the competence to transdifferentiate. This can only be achieved if the Notch pathway is regulated very precisely in the Y cell.

On admet communément que les tumeurs proviennent de cellules échappant aux contrôles homéostatiques qui sous-tendent les structures histologiques saines et que le phénotype d’une cellule n’est pas le résultat de processus génétiques et biochimiques déterministes mais la conséquence stochastique de réseaux de régulation intra- et intercellulaires. Ce doctorat vise à étudier quantitativement l’homéostasie phénotypique de populations cellulaires et à présenter une approche à la question fondamentale, mais jusqu’alors jamais étudiée, concernant l’autonomie versus le contrôle collectif du devenir des cellules. Nous avons étudié sur le long terme, par cytométrie de flux et dans des conditions 2D puis 3D, le niveau d’expression de CD24 et CD44 de deux lignées cellulaires de cancer du sein (SUM149-PT et SUM159-PT). Trois phénotypes ont été isolés (CD24-/CD44+, CD24+/CD44+, CD24-/CD44-), ce dernier n’avait pour le moment pas été documenté dans la littérature. Le comportement phénotypique des sous-populations CD44-low et CD44-high a été caractérisé en évaluant leur proportion et en analysant leur spectre de fluorescence. Ainsi nous avons observé des comportements périodiques d’apparition et de disparition de pool de cellules caractéristiques des lignées et une re-diversification des phénotypes pour chacune des sous-population. Seule la population issue de CD24-/CD44- re-diversifiée présente le même équilibre que la population initiale non triée. En 3D, le processus de re-diversification a été observé dans les tumorsphères issues de CD24-/CD44+ et CD24+/CD44+. Les cellules CD24-/CD44- n’ont pas ce potentiel mais survivent néanmoins à l’anoïkis. Ces comportements laissent penser qu’il existe une coordination intercellulaire régulant l’équilibre des proportions phénotypiques. Pour découvrir les règles sociales régissant l’organisation spatiale inter-phénotypique, nous avons mis en place un rapporteur des variations du niveau d’expression endogène des marqueurs d’intérêt et élaboré un modèle théorique d’interactions cellulaires. Ce travail a conforté notre hypothèse selon laquelle il s’établit des règles sociales inter-cellulaires déterminant l’expression phénotypique à l’échelle uni- et pluricellulaire. / It is commonly accepted that tumors arise from cells that escape the homeostatic controls which underlie the healthy histological structure and that cell phenotype is not the result of deterministic biochemical and genetic processes, but rather the stochastic and dynamic outcome of multiple intra- and intercellular regulation networks. This PhD aims to quantitatively study the phenotypic homeostasis of the cell populations and to present an approach to the fundamental question, never heretofore studied, regarding the autonomy versus collective control of cell fate. We studied in the long run, using flow cytometry and in 2D and 3D conditions, the level of expression of CD24 and CD44 of two breast cancer cell lines (SUM149-PT and SUM159-PT). Three phenotypes were isolated (CD24-/CD44+, CD24+/CD44+, CD24-/CD44-), the latter had not previously been documented in the literature. The phenotypic behavior of CD44-low and CD44-high subpopulations has been characterized by assessing their proportion and analyzing the fluorescence map. Thereby, we observed both a periodic behavior of appearance and disappearance of pool of cells characteristics of each cell lines and a phenotypic re-diversification for each subpopulation. Only the resulting population derived from CD24-/CD44- provided the same balance as the original unsorted population. 3D re-diversification process was observed in tumorspheres from CD24-/CD44+ and CD24+/CD44+. The cells CD24-/CD44did not have that potential but nonetheless outlived anoikis. These behaviors suggest that there is an inter-cell coordination regulating the balance of phenotypic proportions. To discover the social rules regulating inter-phenotypic spatial organization, we have set up a reporter of the endogenous variations of CD24 and CD44 and developed a theoretical model of cell interactions. This work has confirmed our hypothesis that inter-cellular social rules are determining the phenotypic expression at both the uni- and multicellular scales.