Defining cell fate specification of mouse Mammary Stem Cells in 4D - Génétique et Biologie du Développement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Defining cell fate specification of mouse Mammary Stem Cells in 4D

Spécification du destin cellulaire des cellules souches mammaires en 4D

Claudia Carabana Garcia
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1288964
  • IdRef : 268566976

Résumé

DEFINING CELL FATE SPECIFICATION OF MOUSE MAMMARY STEM CELLS IN 4DCoordination of cell fate specification and branching morphogenesis is necessary to generate an organ with its specialized final structure and function. Accordingly, how different cell types are specified in a tightly regulated manner in time and space, in order to drive the morphogenesis of a complex tissue, remains a major question in the field of developmental biology.The mammary gland (MG) consists in a branched bi-layered epithelium composed of an outer layer of basal cells (BCs) and an inner compartment of polarised luminal cells (LCs). In this tissue, adult homeostasis is exclusively maintained by lineage-restricted unipotent progenitors, whereas multipotent mammary stem cells (MaSCs) are only found in the embryonic gland, making it an ideal tissue paradigm to study stem cell dynamics and lineage specification, as well as their contribution to tissue morphogenesis.WORKING HYPOTHESISOur recent results showed that multipotent MaSCs become lineage-restricted around embryonic day E15.5, coinciding with the first morphogenetic events that establish the mammary ductal network. We thus hypothesized that loss of multipotency in the mammary gland was linked to cell rearrangements, leading to the branching of embryonic mammary buds. However, the exact timing and the mechanisms responsible for the switch from multipotency to unipotency during embryonic MG are still unknown.AIM AND METHODOLOGYThe overarching aim of this project was to characterise the stem cell dynamics underlying MaSCs differentiation during MG development, and to define the transcriptional signals underpinning this process. We have approached this ambitious objective combining two approaches: 1) single-cell RNA sequencing analysis at different embryonic times, to discover which signals determine cell identity during mammary development, and 2) a live lineage tracing approach in ex vivo embryonic mammary cultures to study dynamic cell behaviours and rearrangements during the earliest phases of mammary growth.RESULTSWe found that lineage restriction is a progressive developmental process. By single cell transcriptomics, we identified a single population of mammary epithelial cells at E13.5, but we could distinguish three transcriptionally distinct cell subsets at E15.5, which included luminal-like, basal-like and hybrid cells co-expressing luminal and basal genes. Spatial transcriptomic analysis revealed that the basal-like and luminal-like clusters were indeed already spatially restricted in the embryonic mammary bud, being positioned either in close proximity to the basement membrane or in the inner bud region, respectively. Importantly, this analysis revealed novel molecular markers of committing LCs and BCs, that cannot be distinguished with known adult MG markers.Additionally, we report the transcriptional signatures distinguishing two spatially restricted embryonic mammary mesenchymal cell populations, representing sub-epithelial and dermal mesenchyme. Long-term live-imaging revealed that paracrine signalling from embryonic mesenchyme to epithelial cells, via Fgf10-Fgfr2, influences epithelial branching.We then developed a deep learning-based pipeline to semi-automatically track individual cells and tissue branches in embryonic mammary explants analysed by time-lapse microscopy. We show that the initial steps of morphogenesis are characterized by highly dynamic cell rearrangements in the growing branch tips. However, forced activation of the Wnt/b-catenin pathway in the embryonic mammary epithelium precluded branching in vivo and ex vivo, indicating that epithelial Wnt signalling is an essential regulator of mammary branching morphogenesis.This work sheds light on the timing and mechanisms governing mammary cell fate decisions, providing potential biomarkers of breast cancer, which often arises from reactivation of embryonic multipotency programs.
SPÉCIFICATION DU DESTIN CELLULAIRE DES CELLULES SOUCHES MAMMAIRES EN 4DAu cours du développement, une coordination entre la spécification du destin cellulaire et la morphogenèse tissulaire est nécessaire à la formation des organes. Par conséquent, la façon dont différents types de cellules se différencient dans le temps et l'espace reste une question majeure en biologie du développement.La glande mammaire est constituée d'un épithélium ramifié composé d'une couche externe de cellules basales (BCs) et d'un compartiment interne de cellules luminales (LCs). Dans ce tissu, l'homéostasie adulte est exclusivement maintenue par des progéniteurs unipotents, alors que des cellules souches mammaires multipotentes (MaSC) ne se trouvent que dans la glande embryonnaire, ce qui en fait un paradigme tissulaire idéal pour étudier leur comportement dynamique et leur contribution à la morphogenèse tissulaire.HYPOTHÈSE DE TRAVAILNous avons récemment montré que les cellules souches mammaires deviennent unipotentes lors de la tubulogenèse de la glande, suggérant un lien étroit entre spécification cellulaire et morphogenèse. Notre hypothèse implique que la perte de multipotence soit liée aux remaniements cellulaires qui guident la morphogenèse. Cependant, le moment exact et les mécanismes responsables du passage de la multipotence à l'unipotence sont encore inconnus.OBJECTIF ET MÉTHODOLOGIEL'objectif principal de ce projet était d'intégrer les circuits transcriptionnels définissant le potentiel de différenciation des cellules souches à l'analyse de la morphogenèse cellulaire et tissulaire en temps réel, afin de déchiffrer les mécanismes qui sous-tendent l'acquisition de l'identité cellulaire et d'étudier la coordination entre spécification des cellules souches et morphogenèse. Nous avons abordé cet objectif ambitieux en combinant deux approches : 1) des analyses transcriptomiques en cellule unique intégrées dans l’espace, au cours du développement mammaire, et 2) une approche de suivi du lignage en temps réel dans des cultures mammaires embryonnaires ex vivo, afin d'étudier les comportements et réarrangements cellulaires au cours des premières phases de la croissance mammaire.RÉSULTATSNous avons constaté que la restriction du potentiel des cellules souches est progressive pendant le développement embryonnaire. Par transcriptomique sur cellules uniques, nous avons pu distinguer trois types cellulaires distincts très tôt (E15). L'intégration dans l’espace de ces données transcriptomiques nous a révélé que des cellules de type BC et LC sont positionnées différemment dans le bourgeon mammaire très précocement. Cette analyse a donc révélé de nouveaux marqueurs moléculaires des LC et BC embryonnaires, qui ne peuvent pas être distingués avec les marqueurs mammaires adultes connus.De plus, nous avons défini les signatures transcriptionnelles qui distinguent deux populations de cellules stromales mammaires embryonnaires délimitées dans l'espace. Nous avons aussi montré qu’une signalisation paracrine du mésenchyme aux cellules épithéliales, via Fgf10-Fgfr2, influence la morphogenèse de la glande mammaire.Nous avons ensuite développé une approche d’analyse d’images semi-automatique aux niveaux cellulaire et tissulaire dans nos explants mammaires analysés par microscopie time-lapse. Nous montrons que les étapes initiales de la morphogenèse sont caractérisées par des réarrangements cellulaires très dynamiques. De plus, l'activation épithéliale de la beta-catenin empêche la formation de branches, indiquant que Wnt est un régulateur essentiel de la morphogenèse mammaire.Ces travaux mettent en lumière les circuits transcriptionnels qui régissent le branchement mammaire et qui lient la différenciation des cellules souches à leur dynamique cellulaire pendant la morphogenèse. Les mécanismes ainsi dévoilés nous fournissent des biomarqueurs potentiels du cancer du sein, qui résulte souvent de la réactivation de programmes de multipotence embryonnaires.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04223526 , version 1 (30-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04223526 , version 1

Citer

Claudia Carabana Garcia. Defining cell fate specification of mouse Mammary Stem Cells in 4D. Cancer. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS055⟩. ⟨tel-04223526⟩
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