Network modelling of the regulatory pathways involved in organ regeneration
Authors:   , Rivero García Inés 
Published: December 2024

Motivation: Fibrotic diseases cause long-term organ damage and are a heavy burden on health systems worldwide. While adult mammals usually generate a fibrotic scar in response to injury, neonatal mammals and other vertebrate species can fully regenerate certain body structures through the dedifferentiation and proliferation of preexisting, terminally differentiated cells. Complex biological processes such as rewiring of cellular identity require a holistic approximation, as the study of isolated components is not enough to obtain a realistic overview of the underlying mechanism in action. Gene regulatory networks model transcriptional relationships between transcription factors and their target genes and are the main underlying determinants of cell identity.

Objectives: In this thesis we hypothesize that physiological regenerative mechanisms are controlled by latent gene regulatory networks at least partially conserved between lower vertebrates and mammals. We used state-of-the-art computational approaches on bulk and single-cell transcriptomic data to model and perturb the gene regulatory networks that control regeneration in heart and bone, in order to identify new candidate genes with therapeutic potential.

Findings: This thesis presents three sets of findings related to the understanding of gene regulatory networks in regeneration. (1) We inferred the gene regulatory network controlling axolotl cardiomyocyte sub-population transitions upon cryoinjury. By systematic in silico perturbations of the network, we identified the repressive role of Hey2 for the initiation of the injury response in border zone cardiomyocytes. Independently, footprint-based analysis of a mouse scRNA-seq data set with annotated cardiomyocyte number of nuclei suggested Hey2 as a positive regulator of cardiomyocyte polyploidization, which blocks regeneration. (2) Comparison of the transcriptional footprints caused by overexpression of caErbb2, Myc and Yap5sa in neonatal mouse cardiomyocytes identified two pro-regenerative gene expression programs, associated with cardiomyocyte proliferation and dedifferentiation. Boolean models of a core gene regulatory network controlling the emergence of these transcriptional states suggested the robust nature of the maturating cardiomyocyte gene regulatory network and identified a handful of perturbations with a potential therapeutic application. (3) We compared the gene regulatory networks between regenerating and fibrotic injuries in axolotl and identified an insufficient rewiring in the fibrotic network. We predicted partial antagonism in the function of the TCF/LEF transcription factors Lef1 and Tcf7l2 that might contribute to understand why fibrotic bone injuries fail to regenerate.

Conclusions: By leveraging different types of transcriptomic data and computational and ex- perimental approaches, we were able to model the cardiomyocyte and fibroblast gene regulatory networks in regenerative and fibrotic conditions. Furthermore, we identified candidate genes for their validation as therapeutic pro-regenerative agents and provided mechanistic hypotheses to understand the differences between regenerative and fibrotic injury responses.

RESUMEN

Motivación: Las respuestas fibróticas dañan los órganos a largo plazo y representan un gran problema de salud a nivel mundial. Pese a que los mamíferos adultos responden con fibrosis ante la mayoría de las lesiones, los mamíferos neonatales y otras especies de vertebrados pueden regenerar completamente ciertas estructuras corporales mediante la desdiferenciación y proliferación de células preexistentes totalmente diferenciadas. Estos complejos procesos que implican cambios en la identidad celular requieren ser investigados de manera holística, ya que el estudio de componentes individuales no es suficiente para obtener una representación realista de los mecanismos de acción subyacentes. Las redes de regulación génica modelan las relaciones entre factores de transcripción y sus genes diana y son las principales determinantes de la identidad celular.

Objetivos: En esta tesis doctoral se hipotetiza que los mecanismos de regeneración endógena están controlados por redes de regulación génica latentes que están al menos parcialmente conservadas entre vertebrados inferiores y mamíferos. Centrándonos en el estudio de la regeneración de miocardio y hueso, empleamos aproximaciones computacionales novedosas y datos de secuenciación masiva de ARN de tejidos homogeneizados y células individuales para modelar y perturbar las redes de regulación génica que controlan la regeneración en estos dos tejidos, e identificar nuevos candidatos con potencial terapéutico.

Hallazgos: En esta tesis se presentan tres proyectos distintos, todos ellos enfocados en mejorar nuestra comprensión de las redes de regulación génica que subyacen a los procesos fibróticos y regenerativos. (1) Se modeló la red de regulación génica que controla las transiciones entre subpoblaciones de cardiomiocitos de ajolote tras una criolesión. La perturbación sistemática in silico de esta red, identificó a Hey2 como represor de la iniciación de la respuesta a herida en los cardiomiocitos. De manera independiente, datos scRNA-seq de cardiomiocitos murinos con anotación del número de núcleos se analizaron empleando huellas transcriptómicas y se identificó el posible rol de Hey2 para inducir poliploidización, barrera para la proliferación de cardiomiocitos. (2) Se compararon las huellas transcriptómicas causadas por la sobre-expresión de caErbb2, Myc y Yap5sa en cardiomiocitos murinos neonatales. Se identificaron dos programas de expresión génica pro-regenerativos, asociados con la proliferación y desdiferenciación de cardiomiocitos, respectivamente. Mediante modelos Booleanos de la red de regulación génica que controla la aparición de estos estados transcripcionales, se predijo la robustez de la red de regulación génica que promueve la maduración de cardiomiocitos neonatales e identificaron un grupo de perturbaciones con potencial pro-regenerativo. (3) Se compararon las redes de regulación génica de lesiones regenerativas y fibróticas en el ajolote. Se identificó una remodelación insuficiente en la red de regulación génica fibrótica y se predijo el antagonismo funcional parcial entre los factores de transcripción Lef1 y Tcf7l2, de la familia TCF/LEF, como causa contribuyente a la respuesta fibrótica en ciertas lesiones óseas.

Conclusiones: Mediante el uso de datos transcriptómicos y diferentes estrategias computacionales y experimentales, en esta se tesis modelan las redes de regulación génica en cardiomiocitos y fibroblastos en condiciones pro- y anti-regenerativas. Además, en esta tesis doctoral se identifican genes candidatos para su validación como agentes terapéuticos pro-regenerativos y se proporcionan hipótesis mecanísticas para entender las diferencias entre respuestas regenerativas y fibróticas a lesiones.