Chez les vertébrés, une première ébauche du système nerveux central à partir du neurectoderme est obtenue par la neurulation. Ce processus mène à la formation du tube neural (TN) à partir de la plaque neurale. La neurulation est coordonnée avec l’induction d’une population de cellules multipotentes aux bordures latérales de la plaque neurale: les cellules de la crête neurale (CCNs). Le gène Pax3 encode un facteur de transcription qui est essentiel pour la formation du TN et des CCNs. Une petite région régulatrice d’environ ~250pb dans le promoteur proximal de Pax3, appelée NCE2, est suffisante pour récapituler l’induction de Pax3 ainsi que sa restriction aux bordures latérales de la plaque neurale. Le NCE2 de Pax3 est connu pour intégrer des signaux instructifs antéropostérieur (AP) provenant de la voie Wnt, via les protéines CDX (CDX 1, 2, 4), pouvant induire l'expression de Pax3 dans la plaque neurale postérieure (PNP). Nous avons démontré ici que, en plus des signaux AP, le NCE2 de Pax3 intègre des signaux instructifs dorsoventraux (DV) provenant de la voie BMP, via ses effecteurs SMAD1/5. Nos résultats indiquent que les protéines SMAD1/5 pourraient être le cofacteur manquant dans le contrôle CDX-dépendant de l’expression de Pax3 et que ce serait ces protéines qui permettraient de conférer le patron d’expression restreint de Pax3 aux bordures latérales de la PNP. Pour étayer cette affirmation, nous fournissons de nouvelles preuves que l’activité de BMP-SMAD1/5 sur l’expression de Pax3 est médiée par les CDX. Comme des défauts affectant la formation du TN et des CCNs sont à la base de plusieurs syndromes génétiques et malformations congénitales chez l’humain, nos résultats offrent ainsi une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-tendant ces pathologies. / In vertebrates, a first draft of the central nervous system from the neurectoderm is obtained by neurulation. This process leads to the formation of the neural tube (NT) from the neural plate. Neurulation is coordinated with the induction of a population of multipotent cells at the neural plate border: neural crest cells (NCCs). The Pax3 gene encodes a transcription factor that is essential for the formation of the NT and NCCs. A small regulatory region of ~250bp in the proximal promoter of Pax3, called NCE2, is sufficient to recapitulate the induction of Pax3 and its restriction to the lateral borders of the neural plate. The Pax3NCE2 is known to incorporate anterior-posterior (AP) instructive cues from the Wnt pathway, via CDX proteins (CDX1, 2, 4), which can induce the expression of Pax3 in the posterior neural plate (PNP). We have demonstrated that, in addition to the AP cues, Pax3NCE2 integrates instructive dorsal-ventral (DV) cues from the BMP pathway, via SMAD1/5 proteins. Our results indicate that SMAD1/5 proteins could be the missing co-factor in the CDX-dependent expression of Pax3 that restrict Pax3 expression to the lateral borders of the PNP. To support this assertion, we provide further evidence that the activity of BMP-SMAD1/5 on the expression of Pax3 is mediated by CDX proteins. As defects affecting the formation of the NT and NCCs are the basis of many genetic syndromes and birth defects in humans, our results provide a better understanding of the molecular mechanisms underlying these pathologies.

L’hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne (HCDT) est la condition endocrinienne néonatale la plus fréquemment rencontrée, avec une incidence d’un cas sur 4000 naissances vivantes. L’HCDT comprend toutes les anomalies du développement de la thyroïde. Parmi ces anomalies, le diagnostic le plus fréquent est l’ectopie thyroïdienne (~ 50% des cas). L’HCDT est fréquemment associée à un déficit sévère en hormones thyroïdiennes (hypothyroïdisme) pouvant conduire à un retard mental sévère si non traitée. Le programme de dépistage néonatal assure un diagnostic et un traitement précoce par hormones thyroïdiennes. Cependant, même avec un traitement précoce (en moyenne à 9 jours de vie), un retard de développement est toujours observé, surtout dans les cas les plus sévères (c.-à-d., perte de 10 points de QI). Bien que des cas familiaux soient rapportés (2% des cas), l’HCTD est essentiellement considérée comme une entité sporadique. De plus, plus de 92% des jumeaux monozygotiques sont discordants pour les dysgénésies thyroïdiennes et une prédominance féminine est rapportée (spécialement dans le cas d’ectopies thyroïdiennes), ces deux observations étant clairement incompatible avec un mode de transmission héréditaire mendélien. Il est donc cohérent de constater que des mutations germinales dans les facteurs de transcription thyroïdiens connus (NKX2.1, PAX8, FOXE1, and NKX2.5) ont été identifiées dans seulement 3% des cas sporadiques testés et furent, de plus, exclues lors d’analyse d’association dans certaines familles multiplex. Collectivement, ces données suggèrent que des mécanismes non mendéliens sont à l’origine de la majorité des cas de dysgénésie thyroïdienne. Parmi ces mécanismes, nous devons considérer des modifications épigénétiques, des mutations somatiques précoces (au stade du bourgeon thyroïdien lors des premiers stades de l’embryogenèse) ou des défauts développementaux stochastiques (c.-à-d., accumulation aléatoire de mutations germinales ou somatiques). Voilà pourquoi nous proposons un modèle «2 hits » combinant des mutations (épi)génétiques germinales et somatiques; ce modèle étant compatible avec le manque de transmission familial observé dans la majorité des cas d’HCDT. Dans cette thèse, nous avons déterminé si des variations somatiques (épi)génétiques sont associées à l’HCTD via une approche génomique et une approche gène candidat. Notre approche génomique a révélé que les thyroïdes ectopiques ont un profil d’expression différent des thyroïdes eutopiques (contrôles) et que ce profil d’expression est enrichi en gènes de la voie de signalisation Wnt. La voie des Wnt est cruciale pour la migration cellulaire et pour le développement de plusieurs organes dérivés de l’endoderme (p.ex. le pancréas). De plus, le rôle de la voie des Wnt dans la morphogénèse thyroïdienne est supporté par de récentes études sur le poisson-zèbre qui montrent des anomalies du développement thyroïdien lors de la perturbation de la voie des Wnt durant différentes étapes de l’organogénèse. Par conséquent, l’implication de la voie des Wnt dans l’étiologie de la dysgénésie thyroïdienne est biologiquement plausible. Une trouvaille inattendue de notre approche génomique fut de constater que la calcitonine était exprimée autant dans les thyroïdes ectopiques que dans les thyroïdes eutopiques (contrôles). Cette trouvaille remet en doute un dogme de l’embryologie de la thyroïde voulant que les cellules sécrétant la calcitonine (cellules C) proviennent exclusivement d’une structure extrathyroïdienne (les corps ultimobranchiaux) fusionnant seulement avec la thyroïde en fin de développement, lorsque la thyroïde a atteint son emplacement anatomique définitif. Notre approche gène candidat ne démontra aucune différence épigénétique (c.-à-d. de profil de méthylation) entre thyroïdes ectopiques et eutopiques, mais elle révéla la présence d’une région différentiellement méthylée (RDM) entre thyroïdes et leucocytes dans le promoteur de FOXE1. Le rôle crucial de FOXE1 dans la migration thyroïdienne lors du développement est connu et démontré dans le modèle murin. Nous avons démontré in vivo et in vitro que le statut de méthylation de cette RDM est corrélé avec l’expression de FOXE1 dans les tissus non tumoraux (c.-à-d., thyroïdes et leucocytes). Fort de ces résultats et sachant que les RDMs sont de potentiels points chauds de variations (épi)génétiques, nous avons lancé une étude cas-contrôles afin de déterminer si des variants génétiques rares localisés dans cette RDM sont associés à la dysgénésie thyroïdienne. Tous ces résultats générés lors de mes études doctorales ont dévoilé de nouveaux mécanismes pouvant expliquer la pathogenèse de la dysgénésie thyroïdienne, condition dont l’étiologie reste toujours une énigme. Ces résultats ouvrent aussi plusieurs champs de recherche prometteurs et vont aider à mieux comprendre tant les causes des dysgénésies thyroïdiennes que le développement embryonnaire normal de la thyroïde chez l’homme. / Congenital hypothyroidism from thyroid dysgenesis (CHTD) is the most common congenital endocrine disorder with an incidence of 1 in 4,000 live births. CHTD includes multiple abnormalities in thyroid gland development. Among them, the most common diagnostic category is thyroid ectopy (~ 50 % of cases). CHTD is frequently associated with a severe deficiency in thyroid hormones (hypothyroidism), which can lead to severe mental retardation if left untreated. The newborn biochemical screening program insures the rapid institution of thyroid hormone replacement therapy. Even with early treatment (on average at 9 d), subtle developmental delay is still be observed in severe cases (i.e., IQ loss of 10 points). Although there have been some reports of familial occurrence (in 2% of the cases), CHTD is mainly considered as a sporadic entity. Furthermore, monozygotic (MZ) twins show a high discordance rate (92%) for thyroid dysgenesis and female predominance is observed in thyroid dysgenesis (especially thyroid ectopy), these two observations being incompatible with simple Mendelian inheritance. In addition, germline mutations in the thyroid related transcription factors NKX2.1, PAX8, FOXE1, and NKX2.5 have been identified in only 3% of sporadic cases and linkage analysis has excluded these genes in some multiplex families with CHTD. Collectively, these data point to the involvement of non-Mendelian mechanisms in the etiology of the majority of cases of thyroid dysgenesis. Among the plausible mechanisms are epigenetic modifications, somatic mutations occurring in the thyroid bud early during embryogenesis, or stochastic developmental events. Hence, we proposed a two-hit model combining germline and somatic (epi)genetic variations that can explain the lack of clear familial transmission of CTHD. In this present thesis, we assessed the role of somatic (epi)genetic variations in the pathogenesis of thyroid dysgenesis via a genome-wide as well as a candidate gene approach. Our genome wide approach revealed that ectopic thyroids show a differential gene expression compared to that of normal thyroids, with enrichment for the Wnt signalling pathway. The Wnt signalling pathway is crucial for cell migration and for the development of several endoderm-derived organs (e.g., pancreas). Moreover, a role of Wnt signalling in thyroid organogenesis was further supported by recent zebrafish studies which showed thyroid abnormalities resulting from the disruption of the Wnt pathway during different steps of organogenesis. Thus, Wnt pathway involvement in the etiology of thyroid ectopy is biologically plausible. An unexpected finding of our genome-wide gene expression analysis of ectopic thyroids was that they express calcitonin similar to normally located (orthotopic) thyroids. Such a finding, although in contradiction with our current knowledge of the embryological development of the thyroid attributes C cell origins to extrathyroidal structures (ultimobrachial bodies) upon fusion with a fully-formed, normally situated gland. Using a candidate gene approach, we were unable to demonstrate any differences in the methylation profile between ectopic and eutopic thyroids, but nevertheless we documented the presence of a differentially methylated region (DMR) between thyroids and leukocytes in the promoter of FOXE1, a gene encoding the only thyroid related transcription factor known to play a crucial role in regulating the migration of the thyroid precursors during development as shown by animal studies. We demonstrated by in vivo and in vitro studies that the methylation status of this DMR is correlated with differential expression of FOXE1 in non-tumoral tissues (thyroids and leukocytes). Knowing that DMRs are hotspots for epi(genetic) variations, its screening among CTHD patients is justifiable in our search for a molecular basis of thyroid dysgenesis, currently underway in a case-control study. The results generated during my graduate studies represent unique and novel mechanisms underlying the pathogenesis of CHTD, the etiology of which is still an enigma. They also paved the way for many future studies that will aid in better understanding both the normal and pathogenic development of the thyroid gland.

Norrin is a secreted cystine-knot growth factor that plays critical roles in vascular development in the brain, retina, and cochlea, as well as the uterus. Although Norrin is unrelated to the lipid-modified morphogens Wnts, Norrin activates the canonical Wnt/β-catenin pathway by binding to receptor Frizzled4 cysteine-rich domain (Fz4-CRD) and co-receptors of low density lipoprotein receptor related protein 5/6 ectodomain (Lrp5/6-ECD) in conjunction with Tetraspanin-12 (Tspan-12). Like Wnts, Norrin has limited extracellular diffusion properties as a result of associating with heparan sulfate proteoglycans (HSPGs). Mutations lead to inherited disordered retinal vascularization diseases such as Norrie disease, familial exudative vitreoretinopathy and coats' disease. However, the molecular mechanism of how Norrin initiates signalling by engagement with Fz4, Lrp5/6, and HSPGs has remained unresolved. Here, novel strategies for protein production of recombinant human Norrin and Fz4-CRD as well as the complex are developed. The crystal structures of Norrin and its complex with Fz4-CRD, plus complex bound with the heparin mimic sucrose octasulphate, and unliganded structures of Fz4-CRD are presented. These structural data together with biophysical and cellular assays not only reveal the Fz4 and Lrp5/6 binding sites on distinct patches of the Norrin surface, but also indicate the HSPGs binding site on Norrin and Fz4-CRD as well as providing a framework to explain numerous disease-related mutations. Structural comparison with Xenopus Wnt8 in complex with mouse Fz8-CRD provides molecular insights for our understanding of ligand-receptor binding specificity and promiscuity, which has important implications for developing therapeutic strategies against Norrin dependent retinal disorders, and cancers caused by abnormal Wnt signaling.

AB T mu hom dise β sign mu liga stab tran sign T the focu disc cate of t cell targ the inte con sec I sign BSTRACT The Wnt si lticellular o meostasis. A eases, most β-catenin is nalling). In ltiprotein c ands when t bilized and nscription f nalling is tig This thesis knowledge uses on seq cusses the enin signall the Wnt pa ls of intest geted mous thesis des eraction wit nditional Hi retory cell t In conclusi nalling path T ignalling pa organisms Accordingly notably can s a central m n unstimula complex and they engage d transloca factors and ghtly regula is based on e of the reg quential po positive ro ling outcom athway whic tinal epithe e strains th scribes unp th members ic1 deletion types and en ion, our fin hway in dev athway is o ensuring s y, mutations ncer. mediator of ated cells d degraded e their recep tes to the to drive th ated at vario n four origin gulation of sttranslation ole of nucle me. The third ch reduces lium. Final at enable st ublished da s of the Wn n in the inte nhanced tum ndings contr velopment an one of the m successful s in the pat f canonical W β-catenin d in the pro ptors, degrad nucleus t he transcrip ous levels b nal articles f the Wnt s nal process ear protein d study repo the levels o lly, the las tudying the ata on the nt pathway, estinal epith mourigenesi ributed to t...

Abstract The embryonic urogenital system generates the metanephric kidneys, the gonads and the adrenal glands, and its development is based on sequential and reciprocal cell and tissue interactions. The mechanisms which regulate urogenital ontogeny are still poorly understood. In this thesis, the roles of Wnt-4 and ErbB4 functions in gonad and kidney development were analysed by using in vivo functional genomic technologies. Wnt-4 is crucial in female development since its absence leads to a partial female to male sex reversal. We found that Wnt-4 mediated the interactions between the somatic and the germ cells and played a role in meiosis which is regulated in part by the secreted signal retinoic acid (RA). Expression of certain meiosis-controlling genes (Stra8, Spo11) was inhibited in the Wnt-4 deficient germ cells, while certain pluripotency genes (Oct4, Fgf9, Sox2 and Dnmt3l) were activated similarly as in the wild-type male gonad. In addition to this, we noted that a gene encoding for a Cyp26b1 enzyme, which degrades RA in the embryonic testis, was ectopically expressed in the Wnt-4 deficient ovary. Microarray analysis was used to identify candidate Wnt-4 target genes by using the Wnt-4 knock-out mouse. Of these genes, Runx-1 may represent a novel signalling target to mediate Wnt-4 activity in the control female development The role of receptor-tyrosine kinase ErbB4 in kidney development was studied by using both in vivo gain and loss of function approaches. In the gain-of-function situation, we found that certain markers for the epithelial tubules and collecting ducts lost their polarized expression pattern. At the same time, the orientation of the cells in the kidney tubules was deregulated and an increase in cell proliferation was noticed. We suggest that the observed defects gave rise to an increase in the tubule diameter and to cyst formation in the kidney cortex. In the loss-of-function mouse, the lack of ErbB4 expression led to a similar phenotype as with the gain of function, and the renal functions of the mutant adult kidneys were compromised. In conclusion, the results point to specific roles for Wnt-4 and ErbB4 in the control of urogenital development. Wnt-4 appears to be crucial in sustaining proper female somatic cell and germ cell differentiation, and maintenance of gonad development during and after the sex determination event, while ErbB4 activity is critical for the regulation of tubular growth in embryonic kidney development. / Tiivistelmä Sekä nisäkkään jälkimunuainen, lisämunuainen että sukurauhanen kehittyvät alkion urogenitaalialueen järjestelmästä ja solu- ja kudosvuorovaikutukset ohjaavat elinkehitysprosessia. Tapahtuman molekyylitason mekanismit ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin Wnt-4 signaalin tehtäviä sukurauhasen ja ErbB4- proteiinin munuaisen kehityksessä. Wnt-4 signaali on keskeinen naisen sukupuolisuuden kehityksessä, koska signaalin puutos aiheuttaa alkion sukupuolen osittaisen kääntymisen naaraasta koiraaksi. Tarkastelimme aluksi sitä, välittääkö Wnt-4 itusolujen ja sukurauhasen somaattisten solujen vuorovaikutuksia ohjaten itusolujen meioosia, jota mm. A-vitamiini säätelee. Havaitsimme, että Wnt-4 geeni puuttuessa tietyt meioosia säätelevät geenit kuten Stra8 ja Spo11 olivat heikentyneet, kun taas solujen monikykyisyyteen liittyvät geenit kuten Oct4, Fgf9, Sox2 ja Dnmt3l aktivoituivat vastaavalla tavalla kuin havaitaan normaalisti koirasalkion kivesaiheessa. Tämän lisäksi havaitsimme, että Cyp26b1-geeni, joka johtaa A-vitamiinin hajoamiseen alkiossa ja estää normaalisti meioosin koirasalkion kivesaiheessa oli aktivoitunut munuaisrauhasaiheessa, jolta puuttuu Wnt-4 aktiivisuus. Tuloksemme osoittavat, että Wnt-4 säätelee osaltaan naarasalkion itusolujen meioosia. Tarkastelimme myös mikrosirututkimusten avulla niitä geenejä, joita Wnt-4 säätelee sukuelinaiheessa. Identifioimme useissa Wnt ja β-catenin signaalireittiin liittyvissä geeneissa muutoksia. Muuntuneet geenit voivat olla Wnt-4 signaalireitin kohdegeenejä. Näistä Runx-1 saattaa olla keskeinen Wnt signaalitien kohdegeeni, joka säätelee merkittävällä tavalla naaraan munarauhasen kehitystä. Väitöskirjan toisessa osassa tarkastelimme ErbB4-reseptorityrosiinikinaasin tehtäviä munuaisen kehityksen säätelyssä. ErbB4-geenin tehtäviä tutkittiin käyttäen hyväksi siirtogeenisiä malliorganismeja, joissa ErbB4-geenin määrä oli joko koholla tai ajastetusti inaktivoitu. ErbB4- geenin kokeellinen yliaktiivisuus muutti spesifisti tekijöitä, jotka säätelevät osaltaan jälkimunuaisen epiteeliputkien solujen orientaatiota ja solun jakautumista. Solujen orientaatiomuutoksen yhteydessä myös solujen jakautuminen häiriintyi. Oletuksemme on, että nämä epiteelikudoksessa tapahtuneet muutokset ovat syy, miksi kohotettu ErbB4-aktiviteetti muuttaa epiteeliputkien paksuutta ja pituutta erityisesti munuaisen pintakerroksissa. Havaitsimme myös, että ErbB4-geenin ajastettu poistaminen munuaisen epiteelikudoksessa johti hyvin samankaltaisiin, mutta vastakkaisiin muutoksiin kuin ErbB4-aktiviteetin kohottaminen. Muutokset johtivat myös muutoksiin munuaisen toiminnassa. Yhteenvetona toteamme, että näillä Wnt-4 ja ErbB4 solusignallointiin liittyvillä molekyyleillä on keskeinen tehtävä alkion munarauhasen ja munuaisen aiheen kehityksen säätelyssä. Wnt-4 ohjaa sekä itusolujen että somaattisten solujen erilaistumista ja samalla sukupuolen määräytymistä ja jatkokehitystä, kun taas ErbB4-signallointireseptorin tehtävä on avainasemassa munuaisen epiteeliputken kasvun säätelyssä.