Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Zebrafish hmx1 promotes retinogenesis.

Ocular development is controlled by a complex network of transcription factors, cell cycle regulators, and diffusible signaling molecules. Together, these molecules regulate cell proliferation, apoptosis and specify retinal fate. In the zebrafish (Danio rerio), hmx1 is a homeobox transcription factor implicated in eye and brain development. Hmx1 transcripts were detected in the nasal retina and lens as well as otic vesicles and pharyngeal arches by 24-32 hpf. Before this stage, transcripts were more uniformly expressed in the optic vesicle. Knockdown of hmx1 led to microphthalmia. Delayed withdrawal of retinal progenitors from the cell cycle resulting in retarded retinal differentiation was observed in morphant. The retina and brain also showed an increased cell death at 24 hpf. The polarized expression of hmx1 to the nasal part in the zebrafish retina strongly suggested an involvement in the nasal-temporal patterning. However, the key patterning genes tested so far were not regulated by hmx1. Altogether, these results suggest an important role for hmx1 in retinogenesis.

dachshund Potentiates Hedgehog Signaling during Drosophila Retinogenesis

Proper organ patterning depends on a tight coordination between cell proliferation and differentiation. The patterning of Drosophila retina occurs both very fast and with high precision. This process is driven by the dynamic changes in signaling activity of the conserved Hedgehog (Hh) pathway, which coordinates cell fate determination, cell cycle and tissue morphogenesis. Here we show that during Drosophila retinogenesis, the retinal determination gene dachshund (dac) is not only a target of the Hh signaling pathway, but is also a modulator of its activity. Using developmental genetics techniques, we demonstrate that dac enhances Hh signaling by promoting the accumulation of the Gli transcription factor Cubitus interruptus (Ci) parallel to or downstream of fused. In the absence of dac, all Hh-mediated events associated to the morphogenetic furrow are delayed. One of the consequences is that, posterior to the furrow, dac- cells cannot activate a Roadkill-Cullin3 negative feedback loop that attenuates Hh signaling and which is necessary for retinal cells to continue normal differentiation. Therefore, dac is part of an essential positive feedback loop in the Hh pathway, guaranteeing the speed and the accuracy of Drosophila retinogenesis.

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.

Eomesodermin, a target gene of Pou4f2, is required for retinal ganglion cell and optic nerve development in the mouse.

The mechanisms regulating retinal ganglion cell (RGC) development are crucial for retinogenesis and for the establishment of normal vision. However, these mechanisms are only vaguely understood. RGCs are the first neuronal lineage to segregate from pluripotent progenitors in the developing retina. As output neurons, RGCs display developmental features very distinct from those of the other retinal cell types. To better understand RGC development, we have previously constructed a gene regulatory network featuring a hierarchical cascade of transcription factors that ultimately controls the expression of downstream effector genes. This has revealed the existence of a Pou domain transcription factor, Pou4f2, that occupies a key node in the RGC gene regulatory network and that is essential for RGC differentiation. However, little is known about the genes that connect upstream regulatory genes, such as Pou4f2 with downstream effector genes responsible for RGC differentiation. The purpose of this study was to characterize the retinal function of eomesodermin (Eomes), a T-box transcription factor with previously unsuspected roles in retinogenesis. We show that Eomes is expressed in developing RGCs and is a mediator of Pou4f2 function. Pou4f2 directly regulates Eomes expression through a cis-regulatory element within a conserved retinal enhancer. Deleting Eomes in the developing retina causes defects reminiscent of those in Pou4f2(-/-) retinas. Moreover, myelin ensheathment in the optic nerves of Eomes(-/-) embryos is severely impaired, suggesting that Eomes regulates this process. We conclude that Eomes is a crucial regulator positioned immediately downstream of Pou4f2 and is required for RGC differentiation and optic nerve development.

The Ath5 proneural genes function upstream of Brn3 POU domain transcription factor genes to promote retinal ganglion cell development

During retinogenesis, the Xenopus basic helix–loop–helix transcription factor Xath5 has been shown to promote a ganglion cell fate. In the developing mouse and chicken retinas, gene targeting and overexpression studies have demonstrated critical roles for the Brn3 POU domain transcription factor genes in the promotion of ganglion cell differentiation. However, the genetic relationship between Ath5 and Brn3 genes is unknown. To understand the genetic regulatory network(s) that controls retinal ganglion cell development, we analyzed the relationship between Ath5 and Brn3 genes by using a gain-of-function approach in the chicken embryo. We found that during retinogenesis, the chicken Ath5 gene (Cath5) is expressed in retinal progenitors and in differentiating ganglion cells but is absent in terminally differentiated ganglion cells. Forced expression of both Cath5 and the mouse Ath5 gene (Math5) in retinal progenitors activates the expression of cBrn3c following central-to-peripheral and temporal-to-nasal gradients. As a result, similar to the Xath5 protein, both Cath5 and Math5 proteins have the ability to promote the development of ganglion cells. Moreover, we found that forced expression of all three Brn3 genes also can stimulate the expression of cBrn3c. We further found that Ath5 and Brn3 proteins are capable of transactivating a Brn3b promoter. Thus, these data suggest that the expression of cBrn3c in the chicken and Brn3b in the mouse is initially activated by Ath5 factors in newly generated ganglion cells and later maintained by a feedback loop of Brn3 factors in the differentiated ganglion cells.

Ubc9 interacts with a nuclear localization signal and mediates nuclear localization of the paired-like homeobox protein Vsx-1 independent of SUMO-1 modification

Vsx-1 is a paired-like:CVC homeobox gene whose expression is linked to bipolar cell differentiation during zebrafish retinogenesis. We used a yeast two-hybrid screen to identify proteins interacting with Vsx-1 and isolated Ubc9, an enzyme that conjugates the small ubiquitin-like modifier SUMO-1. Despite its interaction with Ubc9, we show that Vsx-1 is not a substrate for SUMO-1 in COS-7 cells or in vitro. When a yeast two-hybrid assay is used, deletion analysis of the interacting domain on Vsx-1 shows that Ubc9 binds to a nuclear localization signal (NLS) at the NH2 terminus of the homeodomain. In SW13 cells, Vsx-1 localizes to the nucleus and is excluded from nucleoli. Deletion of the NLS disrupts this nuclear localization, resulting in a diffuse cytoplasmic distribution of Vsx-1. In SW13 AK1 cells that express low levels of endogenous Ubc9, Vsx-1 accumulates in a perinuclear ring and colocalizes with an endoplasmic reticulum marker. However, NLS-tagged STAT1 protein exhibits normal nuclear localization in both SW13 and SW13 AK1 cells, suggesting that nuclear import is not globally disrupted. Cotransfection of Vsx-1 with Ubc9 restores Vsx-1 nuclear localization in SW3 AK1 cells and demonstrates that Ubc9 is required for the nuclear localization of Vsx-1. Ubc9 continues to restore nuclear localization even after a C93S active site mutation has eliminated its SUMO-1-conjugating ability. These results suggest that Ubc9 mediates the nuclear localization of Vsx-1, and possibly other proteins, through a nonenzymatic mechanism that is independent of SUMO-1 conjugation.