Molecular Mechanisms of Hematopoietic Stem Cell Development- The Role of Retinoic Acid Signaling Bhaskar Chanda For the Doctor of Philosophy Medical Biophysics University of Toronto 2013 Abstract During mouse embryonic development, the formation of blood or hematopoiesis occurs in multiple phases. The first phase or primitive hematopoiesis generates a restricted subset of blood cell lineages but is devoid of lymphoid and hematopoietic stem cell (HSC) potential. The next phase of hematopoiesis, also known as definitive hematopoiesis, is characterized by its ability to generate multilineage hematopoietic progenitors and HSCs from a specialized population of endothelial cells known as hemogenic endothelium (HE). Such endothelial to hematopoietic transitions (EHT) have been recently observed at a clonal level, however, molecular mechanisms that underlie EHT leading to the specification of HSCs have remained poorly understood. Here we show that retinoic acid (RA) signaling plays a pivotal role in embryonic hematopoiesis and HSC development. RA signaling inhibits primitive hematopoiesis, and promotes definitive hematopoiesis. This inductive effect of RA signaling extends to the specification of HSCs. Activation of the RA signaling pathway ex vivo in AGM-derived HE dramatically enhanced the repopulating potential, whereas its conditional inhibition in vivo abrogated HSC development. These repressive and inductive effects of RA signaling were mediated primarily via retinoic acid receptor (RAR)- α. We further analyzed the mechanistic basis of RA signaling with a combined use of cellular, molecular and biochemical assays, and show that β-catenin dependent Wnt signaling is the downstream mediator of RA signaling. Collectively, this thesis provides new insight into molecular mechanisms that control embryonic hematopoiesis and identify the RA pathway as a key regulator of definitive hematopoiesis and HSC specification.

Molecular Mechanisms of Hematopoietic Stem Cell Development- The Role of Retinoic Acid Signaling Bhaskar Chanda For the Doctor of Philosophy Medical Biophysics University of Toronto 2013 Abstract During mouse embryonic development, the formation of blood or hematopoiesis occurs in multiple phases. The first phase or primitive hematopoiesis generates a restricted subset of blood cell lineages but is devoid of lymphoid and hematopoietic stem cell (HSC) potential. The next phase of hematopoiesis, also known as definitive hematopoiesis, is characterized by its ability to generate multilineage hematopoietic progenitors and HSCs from a specialized population of endothelial cells known as hemogenic endothelium (HE). Such endothelial to hematopoietic transitions (EHT) have been recently observed at a clonal level, however, molecular mechanisms that underlie EHT leading to the specification of HSCs have remained poorly understood. Here we show that retinoic acid (RA) signaling plays a pivotal role in embryonic hematopoiesis and HSC development. RA signaling inhibits primitive hematopoiesis, and promotes definitive hematopoiesis. This inductive effect of RA signaling extends to the specification of HSCs. Activation of the RA signaling pathway ex vivo in AGM-derived HE dramatically enhanced the repopulating potential, whereas its conditional inhibition in vivo abrogated HSC development. These repressive and inductive effects of RA signaling were mediated primarily via retinoic acid receptor (RAR)- α. We further analyzed the mechanistic basis of RA signaling with a combined use of cellular, molecular and biochemical assays, and show that β-catenin dependent Wnt signaling is the downstream mediator of RA signaling. Collectively, this thesis provides new insight into molecular mechanisms that control embryonic hematopoiesis and identify the RA pathway as a key regulator of definitive hematopoiesis and HSC specification.

L'acide rétinoïque (AR) est un morphogène dérivé de la vitamine A, qui intervient dans le contrôle de l'organogenèse, de la prolifération et de la différenciation cellulaires chez les Chordés. Dans ce contexte, nous avons étudié les régulations spatio-temporelles de la voie de signalisation de l’AR au cours du développement de l’amphioxus, en mettant l'accent sur l’espèce européenne Branchiostoma lanceolatum.Nous avons tout d'abord inhibé ou activé la voie de signalisation de l’AR lors du développement embryonnaire en traitant des embryons d’amphioxus à des doses variables de composés pharmacologiques interférant avec le métabolisme des rétinoïdes. Grâce à l’utilisation d’outils mathématiques spécifiques, nous avons établi un schéma détaillé des effets des traitements effectués sur le développement du système nerveux central (SNC) et du pharynx chez l’amphioxus en nous basant sur l’expression de gènes marqueurs de tissus spécifiques. À l’issue de cette première analyse, nous avons par la suite étudié les effets d’une perturbation de la signalisation de l’AR à des points clés du développement chez l’amphioxus lors de la régionalisation du SNC et du pharynx. Nous avons ainsi montré que la voie de signalisation de l’AR intervient dans la régionalisation de l’axe antéro-postérieur via le contrôle des gènes hox dès le stade gastrula et jusqu’aux stades larvaires. En outre, nous avons réalisé l'étude préliminaire du gène homologue chez l’amphioxus du gène aldh1a2 des Vertébrés, et avons démontré que la régulation du niveau de synthèse de l’AR au cour du développement est conservée entre l’amphioxus et les Vertébrés. Finalement, nous avons montré que la voie de l’AR participe également à la morphogenèse caudale chez l’amphioxus, et que le mécanisme impliqué semble différent de celui proposé chez les Vertébrés où l’AR contrôle la structuration de la nageoire caudale par le ciblage des tissus mésenchymateux. / Retinoic acid (RA) is an endogenous vitamin A-derived morphogen. In this context, we studied the spatiotemporal roles of RA signaling in amphioxus development, focusing on the European amphioxus species: Branchiostoma lanceolatum. We first created excess and insufficiency models of RA signaling by exposing amphioxus embryos to series of doses of different pharmacological compounds targeting either the RA receptors or the RA metabolism machinery. By introducing the important mathematical concept of a Cartesian coordinate system founded by René Descartes, we created detailed diagrams of the concentration-dependent defects caused by RA signaling in the central nervous system (CNS) and pharynx of amphioxus by evaluating the statistical significances of tissue-specific marker gene expression in labeled embryos. This analysis yielded a very detailed description of the sensitivities of the developing amphioxus CNS and pharynx to altered RA signaling levels. Following this initial challenge, we correlated the effects of altered RA signaling levels with key amphioxus developmental stages characterized by structural transitions in CNS and pharynx. We show that hox-mediated RA signaling in axial patterning is active beyond the gastrula stage and might be maintained until at least early larval stage, with possible roles in more regionalized axis formation and organ induction. In addition, we carried out a preliminary study on a RA synthesizing gene in amphioxus, called aldh1a, a possible homolog of the vertebrate aldh1a2 gene, demonstrating that the feedback between RA signaling and RA synthesizing levels has emerged before the split of the cephalochordate and vertebrate lineages. Moreover, we are able to show that RA signaling also participates in tail fin morphogenesis in amphioxus by a mechanism that is probably not comparable to that in vertebrates, where RA modulates caudal fin patterning through targeting mesenchymal derivatives.

Le syndrome de Goldenhar ou OAVS est une maladie du développement impliquant les deux premiers arcs branchiaux. Très hétérogène, elle est caractérisée par des anomalies des oreilles,des yeux et des vertèbres ainsi que par une microsomie hémifaciale. Des causes environnementales (exposition à l’Acide Rétinoïque (AR) durant la grossesse) et des causes génétiques (anomalies chromosomiques) ont été évoquées, mais aucun gène n’était directement associé à ce spectre. L’objectif de ce projet est donc d’identifier des gènes impliqués dans le spectre OAV. Des approches pangénomiques par séquençage nouvelle génération (exome,panels de gènes ciblés) ont été utilisées pour identifier des gènes candidats. L’identification de mutations dans MYT1 et l’inactivation transitoire de son l’homologue myt1a chez le poisson zèbre ont confirmé son rôle dans le développement cranio-facial et son implication dans l’OAVS. La validation fonctionnelle de ces mutations a été réalisée in vitro. Cible de la voie de l’Acide Rétinoïque (AR), MYT1 agit également comme répresseur des Récepteurs de l’AR permettant son rétrocontrôle négatif. Une approche toxicologique (traitements à l’AR de souris gestantes pendant une période clef du développement embryonnaire) a permis l’identification de protéines et de voies de signalisation dérégulées chez les embryons traités. L’étude de ces protéines modulées et notamment de celles déjà impliquées dans le développement cranio-facial tend à renforcer le lien entre AR et OAVS et offre des pistes intéressantes quant à l’identification de nouveaux gènes candidats pour ce syndrome, ces protéines pouvant être codées par des gènes potentiellement mutés chez des patients OAVS. / Goldenhar syndrome or Oculo-Auriculo-Vertebral Spectrum (OAVS) is a rare developmental disorder involving the first and the second pharyngeal arches. Extremely heterogeneous, it is characterized by hemifacial microsomia, asymmetric ears, ocular and vertebral abnormalities. Various etiologies have been suggested including environmental factors, especially embryonic Retinoic Acid (RA) exposure during pregnancy, and genetic causes (various chromosomal abnormalities). However, no gene had been formally implicated in this syndrome so far. The goal of this project is to identify genes involved in OAVS. Novel pangenomic approaches by Next generation Sequencing (Whole Exome Sequencing and Target genes Panel) were used to find new candidate genes. Identification of mutations in MYT1 and the transient knockdown experiments in zebrafish confirmed its implication in OAVS. Our in vitro studies provided functional characterization of these mutations and supported the link between MYT1 and RA signaling pathway. Thus, MYT1 is a target of RA but also acts as a repressor of RA Receptors and so, participates at the negative feedback. Toxicological approach was also performed by treatment of gestational mice by all-trans RA during a critical window of embryonic development. It led to a deregulation of proteins and to a modulation of cellular pathways in treated embryos. Studying the proteins whose expression is altered following the treatment, especially the proteins already involved in craniofacial development, could led to the identification of new candidate genes for OAVS and thus, may allow to better decipher the pathogenic mechanisms.

Les maladies coronariennes sont l'une des principales causes de décès dans le monde. Comment les artères coronaires sont modelées et quelles sont les molécules de signalisation qui régissent ce processus, sont des mécanismes mal compris. Dans la première partie de ma thèse, j'ai identifié le modulateur de signalisation Wnt Rspo3 comme un régulateur crucial de la formation de l'artère coronaire dans le cœur en développement. Rspo3 est spécifiquement exprimé autour des branches coronaires à des moments critiques dans leur développement. L'ablation temporelle de Rspo3 conduit à une diminution de la signalisation de β-caténine et à une réduction de la prolifération spécifique des artères. En conséquence, les branches coronariennes sont défectueuses et l'arbre artériel ne se forme pas correctement. Ces résultats identifient un mécanisme par lequel l'expression localisée de RSPO3 induit la prolifération des artères coronaires à leurs branches permettant leur formation. Le traitement des patients qui se remettent d'un infarctus du myocarde (IM) est difficile car les cardiomyocytes ont une capacité très limitée à régénérer le cœur endommagé. La voie de signalisation de l'acide rétinoïque (AR) est essentielle pour le développement cardiaque et joue un rôle protecteur dans les cœurs endommagés. Pour la deuxième partie de ma thèse, j'ai utilisé une nouvelle lignée rapportrice de l’AR et j'ai observé une réponse spécifique des cardiomyocytes. L'ablation de la signalisation de l’AR par délétion génétique des enzymes Raldh1/2/3 entraîne une augmentation de l'apoptose myocytaire à la fin du développement tardif et après l'IM. Le séquençage des ARNs des cardiomyocytes primaires révèle que le traitement à l’AR réprime l'expression de Ace1, indiquant un nouveau lien entre la signalisation AR et le système Rénine Angiotensine dans le contexte de la réparation cardiaque. / Coronary heart disease is one of the leading causes of death worldwide. How coronary arteries are remodeled and the signaling molecules that govern this process are poorly understood. For the first part of my thesis, I have identified the Wnt-signaling modulator Rspo3 as a crucial regulator of coronary artery formation in the developing heart. Rspo3 is specifically expressed around the coronary stems at critical time-points in their development. Temporal ablation of Rspo3 leads to decreased β-catenin signaling and a reduction in arterial-specific proliferation. As a result, the coronary stems are defective and the arterial tree does not form properly. These results identify a mechanism through which localized expression of RSPO3 induces proliferation of the coronary arteries at their stems and permits their formation. Treating patients recovering from myocardial infarction (MI) is difficult since cardiomyocytes have a very limited capacity to proliferate and regenerate the damaged heart. The Retinoic Acid (RA) signaling pathway is essential for cardiac development and plays a protective role in damaged hearts. For the second part of my thesis, I have utilized a novel RA reporter line and I have observed a cardiomyocyte-specific response. Ablation of RA signaling through genetic deletion of the Raldh1/2/3 enzymes leads to increased myocyte apoptosis both during late development and after MI. RNA sequencing analysis of primary cardiomyocytes reveals atRA treatment represses Ace1 expression, providing a novel link between RA signaling and the Renin Angiotensin System in the context of heart repair.