Transcriptional regulation of temporal identity transitions in retinal progenitor cells

La manière dont la diversité neuronale du système nerveux central est établie au cours du développement est une question d'un grand intérêt depuis plus d'un siècle. Les progéniteurs neuronaux sont contrôlés dans l'espace et dans le temps afin de générer un ensemble diversifié de neurones. Les composants moléculaires du contrôle spatial chez les vertébrés soient bien compris, mais le cadre moléculaire du contrôle temporel chez les vertébrés n’a été que peu exploré. Les travaux réalisés, au cours de la dernière décennie, sur le développement de la rétine chez la souris ont révélé l'existence de deux importants facteurs de transcription temporels (tTF). Ikzf1 confère une compétence temporelle précoce alors que Casz1 confère une compétence temporelle tardive aux cellules progénitrices de la rétine (RPC) des mammifères. Cependant, sur les sept types cellulaires présents dans la rétine, ces tTFs ne régulent pas la capacité de générer les cônes nés précocement ni pour les cellules gliales de Müller nées tardivement, suggérant la présence d'autres tTFs non identifiés. L'objectif principal de cette thèse a été de découvrir les mécanismes moléculaires contrôlant la production des cônes au cours de la rétinogenèse précoce ainsi que la production tardive des cellules gliales de Müller. Dans cette thèse, Pou2f1 a été découvert comme un tTF qui confère aux RPCs une compétence temporelle à générer des cônes. Pou2f1 active l'expression de Pou2f2, qui permet ensuite de favoriser la production de cônes en réprimant l’expression du facteur de transcription Nrl. Ikzf1 active l'expression de Pou2f1 dans les RPC alors que Pou2f1 réprime le tTF tardif Casz1, suggérant une boucle d'autorégulation transcriptionnelle entre ces différents tTF. De plus, Ikzf4, un autre membre de la famille Ikzf, s'est avéré important pour la spécification des cônes et des cellules gliales de Müller. Ikzf4 active l’expression de Pou2f1/Pou2f2 lorsqu'il est surexprimé dans des RPC tardifs, suggérant qu’il permet la production de cônes en activant directement l’expression de Pou2f1/Pou2f2. Ikzf4 était également lié à de nombreux gènes de la voie de signalisation de Notch, qui sont impliqués dans la production de cellules gliales de Müller au cours de la rétinogenèse. Ce travail établi des bases pouvant inspirer de futures études dans d'autres parties du SNC, où des tTF similaires pourraient aussi contrôler la production de différents types cellulaires en fonction du temps. Enfin, cette thèse propose de nouveaux tTF comme outils thérapeutiques pour améliorer l’efficacité de production des cônes à partir de cellules souches. How neural diversity is established in the developing central nervous system has been a question of great interest for more than a century. Neural progenitors are spatially and temporally patterned to generate a diverse set of neurons. Although molecular components of spatial patterning in vertebrates are well understood, the molecular framework behind temporal patterning in vertebrates has been largely unexplored. Work done in the past decade on mouse retinal development has revealed insights on how temporal patterning could be established in the CNS. Retinal neurons and glia are born in a sequential but overlapping manner from a pool of multipotent retinal progenitor cells (RPCs), consisting of an early embryonic and late post-natal window of cell birth. Two temporal transcription factors (tTFs), Ikzf1 and Casz1, confer early and late temporal competence to retinal progenitor cells (RPCs), respectively. However, out of the seven cell types in the retina, these tTFs do not regulate the competence for early born cones and late born Müller glia, suggesting the presence of other unidentified tTFs. The prime goal of this thesis was to uncover the molecular mechanisms controlling cone specification during early, and Müller glia specification during late retinal development. In this thesis, Pou2f1 was discovered as a novel tTF that confers temporal competence to RPCs to generate cones. Pou2f1 activates Pou2f2, which binds to the promoter of Nrl, a key rod specification gene, and represses its expression. Early tTF Ikzf1 activates Pou2f1, whereas Pou2f1 represses late tTF Casz1 in RPCs. Additionally, Ikzf4 was discovered as an important regulator of cone specification early, and Müller glia specification late during retinal development. Ikzf4 binds to genomic regions near Pou2f1/Pou2f2 gene bodies and activates their expression during early retinogenesis. During late retinogenesis, Ikzf4 binds to promoters of Notch signaling genes and activates their expression to promote Müller glia differentiation. Taken together, these results reveal important insights on how cone and Müller glia production is temporally controlled during early and late retinogenesis. This work lays the groundwork for future studies in other parts of the developing CNS that could employ similar tTFs for temporal patterning. Finally, this thesis proposes novel tTFs as therapeutic tools to efficiently generate cones from ESC-derived retinal organoids and sheets.

Keyphrases: Compétence temporelle, Rétine, Développement de cône, Développement de glie de Müller, Pou2f1, Pou2f2, Ikzf4, Pou2f1, Pou2f2, Ikzf4, Temporal competence, Retina, Cone development, Müller glia development