Régulation de l’expression du gène Six6 par les facteurs de transcription Lhx2 et Pax6 dans le contexte des cellules souches rétiniennes

La rétinogésèse des vertébrés est la culmination de processus biologiques complexes parfaitement exécutés. Cette délicate orchestration est principalement contrôlée par les facteurs de transcription qui permettent aux progéniteurs rétiniens de proliférer, de s’auto-renouveler et de se différencier de façon appropriée. Les facteurs de transcription à homéodomaine sont les protéines qui sont responsables de la démarcation du site du primordium optique et participeront même à la différenciation tardive des différents types cellulaires de la rétine. Le contrôle génétique concernant l‘activation de l’expression de facteurs de transcription est peu connu. Nous avons étudié les séquences génomique avoisinant le gène Six6 afin d’identifier et mieux comprendre son promoteur. Des expériences d’immunoprécipitation de chromatine et des essais luciférases ont confirmé la liaison et la transactivation synergique du promoteur potentiel de Six6 par Lhx2 et Pax6 in vitro. Cette présente étude confirme et précise également le rôle de Lhx2 au niveau du développement précoce de l’oeil. La compréhension détaillée des réseaux génétiques régulant les progéniteurs rétiniens à former une rétine fonctionnelle est essentielle. En effet, lorsque ces connaissances seront acquises, nous serons en mesure d’appliquer les thérapies cellulaires pour rétablir les fonctions rétiniennes lors de pathologies dégénératives.

Étude du rôle de Pax6 dans la gliogenèse

Les astrocytes sont des cellules gliales présentes dans le système nerveux central, qui exercent de nombreuses fonctions physiologiques essentielles et sont impliquées dans la réponse aux lésions et dans plusieurs pathologies du cerveau. Les astrocytes sont générés par les cellules de la glie radiale, les précurseurs communs de la plupart des cellules neuronales et gliales du cerveau, après le début de la production des neurones. Le passage de la neurogenèse à la gliogenèse est le résultat de mécanismes moléculaires complexes induits par des signaux intrinsèques et extrinsèques responsables du changement de propriété des précurseurs et de leur spécification. Le gène Pax6 code pour un facteur de transcription hautement conservé, impliqué dans plusieurs aspects du développement du système nerveux central, tels que la régionalisation et la neurogenèse. Il est exprimé à partir des stades les plus précoces dans les cellules neuroépithéliales (les cellules souches neurales) et dans la glie radiale, dérivant de la différenciation de ces cellules. L’objectif de cette étude est d’analyser le rôle de Pax6 dans la différenciation et dans le développement des astrocytes. À travers l’utilisation d’un modèle murin mutant nul pour Pax6, nous avons obtenu des résultats suggérant que la suppression de ce gène cause l'augmentation de la prolifération et de la capacité d'auto-renouvellement des cellules souches neurales embryonnaires. In vitro, les cellules mutantes prolifèrent de façon aberrante et sous-expriment les gènes p57Kip2, p16Ink4a, p19Arf et p21Cip1, qui inhibent la progression du le cycle cellulaire. De plus, Pax6 promeut la différenciation astrocytaire des cellules souches neurales embryonnaires et est requis pour la différenciation des astrocytes dans la moëlle épinière. Les mutants nuls pour Pax6 meurent après la naissance à cause de graves défauts développementaux dus aux fonctions essentielles de ce gène dans le développement embryonnaire de plusieurs organes. En utilisant un modèle murin conditionnel basé sur le système CRE/ loxP (hGFAP-CRE/ Pax6flox/flox) qui présente l’inactivation de Pax6 dans les cellules de la glie radiale, viable après la naissance, nous avons montré que Pax6 est impliqué dans la maturation et dans le développement post-natal des astrocytes. Le cortex cérébral des souris mutantes conditionnelles ne présente pas d’astrocytes matures à l’âge de 16 jours et une très faible quantité d’astrocytes immatures à l’âge de trois mois, suggérant que Pax6 promeut la différenciation et la maturation des astrocytes. De plus, Pax6 semble jouer un rôle même dans le processus de différenciation et de maturation de cellules gliales rétiniennes. L’étude des gènes et des mécanismes moléculaires impliqués dans la génération des astrocytes est crucial pour mieux comprendre le rôle physiologique et les altérations pathologiques des ces cellules.

Structure-function analyses of {\it PAX6\/} and the molecular bases of aniridia

PAX6 is a transcription activator that regulates eye development in animals ranging from Drosophila to human. The C-terminal region of PAX6 is proline/serine/threonine-rich (PST) and functions as a potent transactivation domain when attached to a heterologous DNA-binding domain of the yeast transcription factor, GAL4. The PST region comprises 152 amino acids encoded by four exons. The transactivation function of the PST region has not been defined and characterized in detail by in vitro mutagenesis. I dissected the PST domain in two independent systems, a heterologous system using a GAL4 DNA-binding site and the native system of PAX6. In both systems, the results show consistently that all four constituent exons of the PST domain are responsible for the transactivation function. The four exon fragments act cooperatively to stimulate transcription, although none of them can function individually as an independent transactivation domain. Combinations of two or more exon fragments can reconstitute substantial transactivation activity when fused to the DNA-binding domain of GAL4, but they surprisingly do not produce much activity in the context of native PAX6 even though the mutant PAX6 proteins are stable and their DNA-binding function remains unaffected. I conclude that the PAX6 protein contains an unusually large transactivation domain that is evolutionarily conserved to a high degree, and that its full transactivation activity relies on the cooperative action of the four exon fragments.^ Most PAX6 mutations detected in patients with aniridia result in truncations of the protein. Some of the truncation mutations occur in the PST region of PAX6, resulting in mutant proteins that retain their DNA-binding ability but have no significant transactivation activity. It is not clear whether such mutants are true loss-of-function or dominant-negative mutants. I show that these mutants are dominant-negative if they are coexpressed with wild-type PAX6 in cultured cells and that the dominant-negative effects result from enhanced DNA-binding ability of these mutants due to removal of the PST domain. These mutants are able to repress the wild-type PAX6 activity not only at target genes with paired domain binding sites but also at target genes with homeodomain binding sites.^ Mutations in the human PAX6 gene produce various phenotypes, including aniridia, Peters' anomaly, autosomal dominant keratitis, and familial foveal dysplasia. The various phenotypes may arise from different mutations in the same gene. To test this theory, I performed a functional analysis of two missense mutations in the paired domain: the R26G mutation reported in a case of Peters' anomaly, and the I87R mutation identified in a patient with aniridia. While both the R26 and the I87 positions are conserved in the paired boxes of all known PAX genes, X-ray crystallography has shown that only R26 makes contact with DNA. I found that the R26G mutant failed to bind a subset of paired domain binding sites but, surprisingly, bound other sites and successfully transactivated promoters containing those sites. In contrast, the I87R mutant had lost the ability to bind DNA at all tested sites and failed to transactivate promoters. My data support the haploinsufficiency hypothesis of aniridia, and the hypothesis that R26G is a hypomorphic allele. ^

Transcriptional regulation of the human {\it PAX6\/} gene

PAX6, a member of the paired-type homeobox gene family, is expressed in a partially and temporally restricted pattern in the developing central nervous system, and its mutation is responsible for human aniridia (AN) and mouse small eye (Sey). The objective of this study was to characterize the PAX6 gene regulation at the transcriptional level, and thereby gain a better understanding of the molecular basis of the dynamic expression pattern and the diversified function of the human PAX6 gene.^ Initially, we examined the transcriptional regulation of the PAX6 gene by transient transfection assays and identified multiple cis-regulatory elements that function differently in different cell lines. The transcriptional initiation site was identified by RNase protection and primer extension assays. Examination of the genomic DNA sequence indicated that the PAX6 promoter has a TATA like-box (ATATTTT) at $-$26 bp, and two CCAAT-boxes are located at positions $-$70 and $-$100 bp. A 38 bp ply (CA) sequence was located 992 bp upstream from the initiation site. Transient transfection assays in glioblastoma cells and leukemia cells indicate that a 92 bp region was required for basal level PAX6 promoter activity. Gel retardation assays showed that this 92 bp sequence can form four DNA-protein complexes which can be specifically competed by a 31-mer oligonucleotide containing a PAX6 TATA-like sequence or an adenovirus TATA box. The activation of the promoter is positively correlated with the expression of PAX6 transcripts in cells tested.^ Based on the results obtained from the in vitro transfection assays, we did further dissection assay and functional analysis in both cell-culture and transgenic mice. We found that a 5 kb upstream promoter sequence is required for the tissue specific expression in the forebrain region which is consistent with that of the endogenous PAX6 gene. A 267 bp cell-type specific repressor located within the 5 kb fragment was identified and shown to direct forebrain specific expression. The cell-type specific repressor element has been narrowed to a 30 bp region which contains a consensus E-box by in vitro transfection assays. The third regulatory element identified was contained in a 162 bp sequence (+167 to +328) which functions as a midbrain repressor, and it appeared to be required for establishing the normal expression pattern of the PAX6 gene. Finally, a highly conserved 216 bp sequence identified in intron 4 exhibited as a spinal cord specific enhancer. And this 216 bp cis-regulatory element can be used as a marker to trace the differentiation and migration of progenitor cells in the developing spinal cord. These studies show that the concerted action of multiple cis-acting regulatory elements located upstream and downstream of the transcription initiation site determines the tissue specific expression of PAX6 gene. ^

Complete sequencing of the Fugu WAGR region from WT1 to PAX6: Dramatic compaction and conservation of synteny with human chromosome 11p13

The pufferfish Fugu rubripes has a genome ≈7.5 times smaller than that of mammals but with a similar number of genes. Although conserved synteny has been demonstrated between pufferfish and mammals across some regions of the genome, there is some controversy as to what extent Fugu will be a useful model for the human genome, e.g., [Gilley, J., Armes, N. & Fried, M. (1997) Nature (London) 385, 305–306]. We report extensive conservation of synteny between a 1.5-Mb region of human chromosome 11 and <100 kb of the Fugu genome in three overlapping cosmids. Our findings support the idea that the majority of DNA in the region of human chromosome 11p13 is intergenic. Comparative analysis of three unrelated genes with quite different roles, WT1, RCN1, and PAX6, has revealed differences in their structural evolution. Whereas the human WT1 gene can generate 16 protein isoforms via a combination of alternative splicing, RNA editing, and alternative start site usage, our data predict that Fugu WT1 is capable of generating only two isoforms. This raises the question of the extent to which the evolution of WT1 isoforms is related to the evolution of the mammalian genitourinary system. In addition, this region of the Fugu genome shows a much greater overall compaction than usual but with significant noncoding homology observed at the PAX6 locus, implying that comparative genomics has identified regulatory elements associated with this gene.

Pax6 is essential for establishing ventral-dorsal cell boundaries in pituitary gland development

Pax6, a highly conserved member of the paired homeodomain transcription factor family that plays essential roles in ocular, neural, and pancreatic development and effects asymmetric transient dorsal expression during pituitary development, with its expression extinguished before the ventral → dorsal appearance of specific cell types. Analysis of pituitary development in the Small eye and Pax6 −/− mouse mutants reveals that the dorsoventral axis of the pituitary gland becomes ventralized, with dorsal extension of the transcriptional determinants of ventral cell types, particularly PFrk. This ventralization is followed by a marked decrease in terminally differentiated dorsal somatotrope and lactotrope cell types and a marked increase in the expression of markers of the ventral thyrotrope cells and SF-1-expressing cells of gonadotrope lineage. We suggest that the transient dorsal expression of Pax6 is essential for establishing a sharp boundary between dorsal and ventral cell types, based on the inhibition of Shh ventral signals.

Regulation of c-maf gene expression by Pax6 in cultured cells

c-Maf is a bZip transcription factor expressed in developmental and cellular differentiation processes. Recently, a c-maf knockout mouse model, showing abnormal lens development, has been reported. In order to study the regulation mechanisms of c-maf gene expression during the differentiation process we have cloned and functionally characterized the rat c-maf (maf-2) gene. The rat c-maf gene is an intronless gene, covering a length of 3.5 kb. Transient transfection analysis of the 5′-flanking region of the c-maf gene using luciferase as the reporter gene shows that Pax6, a master transcription factor for lens development, strongly activates the c-maf promoter construct. Endogenous c-maf is also activated by the Pax6 expression vector. Electrophoresis mobility shift assay and DNase I footprinting analysis show that at least three Pax6-binding sites are located in the 5′-flanking and 5′-non-coding regions of the rat c-maf gene. The c-maf gene was also markedly activated by its own product, c-Maf, through the MARE (Maf recognition element), suggesting that a positive autoregulatory mechanism controls this gene. In situ hybridization histochemical detection of Pax6 and c-Maf in the E14 lens showed that both mRNAs are expressed in the lens equator where lens epithelial cells are differentiating to lens fiber cells. These results suggest that a Pax6/c-Maf transcription factor cascade is working in lens development.

Études moléculaires du rôle de Pax6 lors du développement de la rétine et des cellules souches rétiniennes

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Études moléculaires du rôle de Pax6 lors du développement de la rétine et des cellules souches rétiniennes

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

一个先天性小眼球家系致病基因的排除性定位

先天性小眼球是一种先天发育异常性眼科疾病.通过基因扫描和连锁分析对一个6代常染色体显性遗传先天性小眼球中国家系的疾病相关基因进行研究.根据已报道的与小眼球相关的5个基因座位(MITF,SOX2,PAX6,MCOP和NNO2),在3,11,14和15号染色体上选取了14个微卫星标记,以荧光标记引物的聚合酶链反应(PCR)扩增目的片段,用ABI 377 DNA遗传分析仪对该家系成员进行基因扫描和基因分型,并采用Linkage软件包对基因分型结果进行连锁分析.结果显示,该家系致病基因与这些已报道的座位均不连锁,即该家系致病基因不是已报道的座位,可能是一个尚未报道的对眼球发育至关重要的新基因座位.

非洲爪蟾Brunol1 基因的功能以及文昌鱼肌动蛋白基因家族扩增的研究

BRUNOL 蛋白又称CELF（CUG-BP and ETR3 like factor）是一种典型的RNA 结合蛋白，它的N 端含有两个连续的RNA 识别结构域（RNA recognition motif，RRM)， C 端有一个RRM 结构域。主要参与对可变剪切、翻译、降解和编辑等基因表达转录后水平的调节。迄今在人类中已发现6 个Brunol 基因家族成员，即Brunol1-6；在非洲爪蟾中已发现了5 个：Brunol1-5。近期，我们克隆了爪蟾的Brunol1-5 并研究了它们在非洲爪蟾早期胚胎发育过程中的时空表达图式。结果显示，与以往研究结果一致， Brunol1 基因高量、特异地在神经管中表达，提示Brunol1 基因可能对于爪蟾的神经系统的发生和发育发挥着重要的作用。本实验利用Morpholino 和过表达等手段研究了爪蟾Brunol1 基因对于爪蟾早期胚胎发育的影响。结果显示，在下调和过表达Brunol 1 基因的情况下都会导致胚胎出现体轴弯曲，眼睛和头部发育不全等表型。而将 Brunol1 基因特异的Morpholino 与它的mRNA 共注射时可以明显挽救这一表型。我们通过原位杂交实验，检测了一些爪蟾神经系统的标记基因在Brunol1 过表达胚胎中的表达情况，结果发现过表达Brunol1 基因能显著地下调Krox-20, N-tubulin, Lhx2, Pax6 等的表达，而Sox2 和Otx2 的表达却未受影响。这说明Brunol1 的异常表达确实影响到了神经系统发育过程的信号调控网络，导致胚胎发育的畸形。该结果将有助于阐述Brunol1 基因对于脊椎动物神经系统发生的意义。肌动蛋白是一种分布广泛而且在进化上十分保守的蛋白，它是构成细胞骨架的关键组分。通常人们将肌动蛋白分成肌肉型和胞质型两种类型，它们各自行使着不同的功能。在此，我们通过对古老的脊索动物文昌鱼的肌动蛋白基因家族进行系统的分析发现，文昌鱼中该基因家族成员多达30 多个，而且它们中很多都有连锁现象；进化分析的结果显示，文昌鱼的肌动蛋白基因家族通过串联重复序列的复制发生扩增；从结构上看，它们的基因结构多样化, 包含2-7 个外显子；同时，我们还克隆了两个不同的文昌鱼肌肉型的肌动蛋白基因，并进一步比较了它们在文昌鱼早期胚胎中的表达图式。结果显示，这两个基因在表达上有着细微的差别，这提示文昌鱼肌动蛋白基因家族成员在功能上的分化。该结论将有助于阐述肌动蛋白基因家族的进化以及它们在脊索动物发育的中所扮演的功能。

非洲爪蟾Nkx6.3在原肠运动和神经嵴诱导调控中的功能及爪蟾神经管腹侧图式形成的研究

神经嵴（neural crest）是一类脊椎动物特有的多潜能迁移细胞。这一类细胞历经“表皮—间充质”转换（EMT），与神经管背侧的其它细胞分离，经由不同路线迁移，定位于胚胎外周各处，后分化为不同的细胞类型包括外周神经系统、颅面骨骼系统及色素细胞等。神经嵴的发育是一个多途径多步骤的过程，受多种信号通路及转录因子调控。这些调控因子相互调节形成精密网络，可被划分为三个主要层次类群：分泌性信号分子（BMP、Wnt、FGF、Delta）、神经板边界特异基因（Msx、Pax3/7、 Zic1、Dlx3/5）、神经嵴特异基因（Snail/Slug、AP-2、FoxD3、Twist、Id、cMyc、Sox9/10）。本文第一章主要概述不同组织来源的各种分泌信号在神经嵴诱导中的作用以及他们之间的整合调控。 Nkx6家族蛋白是一类进化上保守的转录因子，在脊椎动物中枢神经系统（CNS)的图式形成和胰腺的发育中有重要作用。在第二章，我们描述了非洲爪蟾中Nkx6家族基因的克隆及其表达图式。与小鼠和鸡中的同源基因类似，爪蟾的Nkx6家族基因在胚胎发育过程中主要表达于中枢神经系统和前部内胚层组织。其中Nkx6.1和Nkx6.2在神经胚期神经板表达重合，晚期都表达于后脑和脊髓的腹侧。Nkx6.3从卵裂期到神经胚早期都表达于非神经外胚层，而尾芽期表达于后脑后部和腮弓。在内胚层中，Nkx6.2在尾芽期表达于底索。在蝌蚪期，Nkx6家族的三个基因分别表达于前部内胚层的衍生物，包括胰腺、胃、食道和肺。 Nkx6.3是最近发现的Nkx6家族新成员，它在爪蟾中的表达与Nkx6.1和Nkx6.2有了较大分歧。在第三章，我们通过功能获得及功能缺失实验来探讨Nkx6.3在爪蟾早期发育中的功能。我们发现原肠期前过量或抑制Nkx6.3表达都会影响胚胎原肠运动的正常进行。我们通过动物帽延伸实验证明Nkx6.3参与了细胞运动。半定量RT-PCR结果显示，Nkx6.3可以调控一些粘附分子的表达。以上结果说明Nkx6.3通过调控粘附分子的转录而参与细胞运动的调控。我们还发神经嵴（neural crest）是一类脊椎动物特有的多潜能迁移细胞。这一类细胞历经“表皮—间充质”转换（EMT），与神经管背侧的其它细胞分离，经由不同路线迁移，定位于胚胎外周各处，后分化为不同的细胞类型包括外周神经系统、颅面骨骼系统及色素细胞等。神经嵴的发育是一个多途径多步骤的过程，受多种信号通路及转录因子调控。这些调控因子相互调节形成精密网络，可被划分为三个主要层次类群：分泌性信号分子（BMP、Wnt、FGF、Delta）、神经板边界特异基因（Msx、Pax3/7、 Zic1、Dlx3/5）、神经嵴特异基因（Snail/Slug、AP-2、FoxD3、Twist、Id、cMyc、Sox9/10）。本文第一章主要概述不同组织来源的各种分泌信号在神经嵴诱导中的作用以及他们之间的整合调控。 Nkx6家族蛋白是一类进化上保守的转录因子，在脊椎动物中枢神经系统（CNS)的图式形成和胰腺的发育中有重要作用。在第二章，我们描述了非洲爪蟾中Nkx6家族基因的克隆及其表达图式。与小鼠和鸡中的同源基因类似，爪蟾的Nkx6家族基因在胚胎发育过程中主要表达于中枢神经系统和前部内胚层组织。其中Nkx6.1和Nkx6.2在神经胚期神经板表达重合，晚期都表达于后脑和脊髓的腹侧。Nkx6.3从卵裂期到神经胚早期都表达于非神经外胚层，而尾芽期表达于后脑后部和腮弓。在内胚层中，Nkx6.2在尾芽期表达于底索。在蝌蚪期，Nkx6家族的三个基因分别表达于前部内胚层的衍生物，包括胰腺、胃、食道和肺。 Nkx6.3是最近发现的Nkx6家族新成员，它在爪蟾中的表达与Nkx6.1和Nkx6.2有了较大分歧。在第三章，我们通过功能获得及功能缺失实验来探讨Nkx6.3在爪蟾早期发育中的功能。我们发现原肠期前过量或抑制Nkx6.3表达都会影响胚胎原肠运动的正常进行。我们通过动物帽延伸实验证明Nkx6.3参与了细胞运动。半定量RT-PCR结果显示，Nkx6.3可以调控一些粘附分子的表达。以上结果说明Nkx6.3通过调控粘附分子的转录而参与细胞运动的调控。我们还发现，在爪蟾胚胎中Nkx6.3的过表达或抑制表达都导致神经嵴标记基因表达降低。进一步研究发现，32细胞期在不同部位注射Nkx6.3 mRNA可以异位诱导或抑制Slug的表达。动物帽实验显示，Nkx6.3单独过表达可以诱导神经嵴发生，而迄今为止转录因子中只有Snail1具有这一单独诱导能力。在爪蟾胚胎及动物帽中，过表达Nkx6.3都可以诱导Fgf8、Wnt8而抑制BMP4的转录，而且Nkx6.3对这些分泌因子的调控方式是不同的。4细胞期过表达Nkx6.3的胚胎，在促进Fgf8和Wnt8而抑制BMP4的同时，却抑制神经板边界特异基因Msx1、Pax3和神经嵴特异基因Slug的表达，说明Nkx6.3对神经嵴的诱导调控在神经板边界基因层次还存在抑制作用。32细胞过表达Nkx6.3会细胞自主性抑制以及细胞非自主诱导Msx1、Pax3、Slug的表达。Nkx6.3异位诱导Dlx5却抑制Dlx3的表达，说明Dlx5可能是Nkx6.3负调控的直接靶基因。由此，我们提出Nkx6.3的神经嵴诱导调控分为两个层次：分泌信号分子水平的正调控和神经板边界决定水平的负调控。在脊椎动物的神经发生过程中，神经管背腹不同层次形成不同的神经元。这些神经元细胞的命运由背腹起源的多种形态发生素决定。形态发生素通过浓度梯度确定了一组转录因子在神经管背腹不同层次的特异表达，这些基因的组合调控决定了神经前体细胞的命运。然而，这些转录因子是如何解读形态发生素梯度信号的还不是很清楚。第四章，我们通过对神经管腹侧特异表达的转录因子的调控区进行预测，确定了可能调控这些基因表达的保守区段。此外，我们改进了爪蟾转基因操作，并用这一技术确证了Nkx6.2的调控区域。Dbx1、Nkx2.2及Pax6的转录调控区已在小鼠或爪蟾中报道过。由此我们得到了两对在神经管背腹图式中相互作用的转录因子的调控区域：Nkx6.2和Dbx1、Nkx2.2和Pax6。通过对Nkx6.2和Dbx1的调控保守区的转录因子结合位点的预测，我们发现这四个基因以及Wnt信号之间存在大量的相互调控。然而在这两个基因的调控区，我们没有发现Gli的调控位点，暗示这两个基因可能不受Shh的直接调控。我们还克隆了Dbx家族的两个基因，并检测了它们的时空特异性表达，发现Dbx2是母源性表达的，而Dbx1是合子型基因。这两个基因的表达图式相似，都在神经板中线两侧成线状表达，尾芽期在神经管中部表达。过表达Dbx2抑制神经元的初级分化，说明它可能与Dbx1一样具有维持神经板细胞未分化状态的功能。Dbx2的过表达还抑制Nkx6.2及Dbx1的表达，说明它们可能一起参与了神经管腹侧图式的调控。

Molecular genetics of the imprinted gene - SPROUTY3 (SPRY3)

Sprouty proteins are key regulators of cell growth and branching morphogenesis during development. Human SPRY3 which maps to the pseudoautosomal region 2, undergoes random X-inactivation in females and preferential Y-inactivation in males, behaving as though genetically X-linked. Spry3 is widely expressed in neuronal tissues, being found at high levels in the cerebellum and particularly in the Purkinje cells which, notably, are deficient in the autistic brain. Spry3 is also highly expressed in other ganglia in adults including retinal ganglion cells, dorsal root ganglion and superior cervical ganglion. SPRY3 enhancer can drive SPRY3 expression in the lung airway, which is consistent with a role in branching morphogenesis and the function of the original Drosophila Spry gene, which is critical for lung morphogenesis, providing a possible explanation for an observed anatomic abnormality in the autistic lung airway. In the human and mouse, the SPRY3 core promoter contains an AG-rich repeat and we found evidence of coexpression, promoter binding and regulation of SPRY3 expression by transcription factors EGR1, ZNF263 and PAX6. Spry3 over-expression in mouse superior cervical ganglion cells inhibits axon branching and Spry3 knockdown in those cells increases axon branching, consistent with known functions of other Sprouty proteins. Novel SPRY3 upstream transcripts that I characterised originate from three start sites in the X-linked F8A3 – TMLHE gene region, which is recently implicated in autism causation. Arising from these findings, I propose that the lung airway abnormality and low levels of blood carnitine found in autism suggest that deregulation of SPRY3 may underpin a subset of autism cases.

Isolation of retinal progenitor and stem cells from the porcine eye

Purpose: Retinal progenitor cells (RPCs) and retinal stem cells (RSCs) from rodents and humans have been isolated and characterized in vitro. Transplantation experiments have confirmed their potential as tools for cell replacement in retinal degenerative diseases. The pig represents an ideal pre-clinical animal model to study the impact of transplantation because of the similarity of its eye to the human eye. However, little is known about porcine RPCs and RSCs. We aimed to identify and characterize in vitro RPCs and RSCs from porcine ocular tissues. Methods: Cells from different subregions of embryonic, postnatal and adult porcine eyes were grown in suspension sphere culture in serum-free medium containing basic fibroblast growth factor (bFGF) and epidermal growth factor (EGF). Growth curves and BrdU incorporation assays were performed to establish the proliferative capacity of isolated porcine retina-derived RPCs and ciliary epithelium (CE)-derived RSCs. Self-renewal potential was investigated by subsphere formation assays. Changes in gene expression were assayed by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) at different passages in culture. Finally, differentiation was induced by addition of serum to the cultures and expression of markers for retinal cell types was detected by immunohistochemical staining with specific antibodies. Results: Dissociated cells from embryonic retina and CE at different postnatal ages generated primary nestin- and Pax6-immunoreactive neurosphere colonies in vitro in numbers that decreased with age. Embryonic and postnatal retina-derived RPCs and young CE-derived RSCs displayed self-renewal capacity, generating secondary neurosphere colonies. However, their self-renewal and proliferation capacity gradually decreased and they became more committed to differentiated states with subsequent passages. The expansion capacity of RPCs and RSCs was higher when they were maintained in monolayer culture. Porcine RPCs and RSCs could be induced to differentiate in vitro to express markers of retinal neurons and glia. Conclusions: Porcine retina and CE contain RPCs and RSCs which are undifferentiated, self-renewing and multipotent and which show characteristics similar to their human counterparts. Therefore, the pig could be a useful source of cells to further investigate the cell biology of RPCs and RSCs and it could be used as a non-primate large animal model for pre-clinical studies on stem cell-based approaches to regenerative medicine in the retina.

Caractérisation moléculaire du rôle de Lhx2 dans le développement de l'oeil et du cerveau

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.