Mesenchymal potentials of the trunk neural crest cells

par Juliana De Mattos Coelho Aguiar

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire: signaux et régulations, neurosciences

Soutenue le 24-04-2012

à Paris 11 en cotutelle avec l'Universidade federal do Rio de Janeiro , dans le cadre de Ecole doctorale Signalisations et Réseaux Intégratifs en Biologie (2000-2015 ; Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne) , en partenariat avec Neurobiologie et Développement (laboratoire) et de Neurobiologie et Développement (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Les potentiels mésenchymataux de la crête neurale troncale


  • Résumé

    La crête neurale (CN) dérive de la partie dorsale du tube neural des Vertébrés. Pendant le développement, ces cellules migrent et contribuent à la formation de différents tissus et organes. Le long de l'axe antéro-postérieur, la CN donne naissance aux neurones et cellules gliales du système nerveux périphérique, et aux mélanocytes. Par ailleurs, la CN céphalique est aussi à l’origine de tissus mésenchymateux qui constituent tous les os et cartilages de la face, la plus grande partie du crâne, le derme facial, et les adipocytes et cellules de muscles lisses dans la tête. Dans le tronc des Vertébrés amniotes, ces tissus dérivent du mésoderme. Chez les Vertébrés inférieurs, la CN troncale génère cependant des tissus mésenchymateux, comme les rayons des nageoires du poisson-zèbre. La question qui se pose est de savoir si la capacité de la CN à produire des cellules mésenchymateuses a été totalement perdue dans le tronc au cours de l’évolution, ou bien si elle peut encore se manifester chez les Amniotes dans des conditions spécifiques. Ce travail s’est intéressé à dévoiler le potentiel mésenchymateux de la CN troncale.Notre approche expérimentale a été d'examiner le potentiel de différenciation squelettogénique et adipogénique des cellules de la CN troncale de caille en culture in vitro, par hybridation in situ (HIS), immunocytochimie et RT-PCR. L’ostéogenèse a été initialement caractérisée par l'expression de Runx2, premier facteur de transcription des ostéoprogéniteurs, qui a été détectée par HIS à partir 5 jours de culture. Plus tard, nous avons observé la maturation des ostéoblastes, avec l’expression de la protéine collagen1, des ARNm de l'ostéopontine et de la phosphatase alcaline, jusqu’à l'étape de minéralisation de la matrice osseuse. Les cellules de CN troncale ont effectué également un processus de chondrogenèse, mis en évidence par l'expression des ARNm de Sox9, aggrecan et collagène10, et par la coloration au bleu Alcian. L'observation des zones minéralisées et des régions chondrogéniques suggère que les cellules de la CN troncale in vitro effectuent une ossification de types endochondral et intramembranaire. Dans les mêmes conditions de culture, les cellules se sont aussi différenciées en adipocytes, identifiés à partir de 10 jours de culture par le colorant Oil Red O. Les ARNm des facteurs de transcription CEBP et PPAR, essentiels pour l'adipogenèse, et de la protéine FABP4, ont été détectés par RT-PCR dès 3 jours de culture. Afin de caractériser les précurseurs des cellules osseuses et adipocytaires, nous avons examiné le potentiel de différenciation des cellules individuelles de la CN troncale. L'analyse des types cellulaires dans les cultures clonales a montré que 76% des clones contiennent des ostéoblastes Runx2-positifs. De plus, les cellules de CN troncale comprennent des progéniteurs multipotents dotés à la fois de potentiels neuraux et ostéogénique. Dans une autre condition de culture clonale, les adipocytes ont été trouvés dans la descendance de 35,3% des cellules, et environ la moitié de ces cellules possédaient aussi un potentiel glial et/ou mélanogénique. Ces résultats montrent que, in vitro, les cellules de la CN troncale sont capables de se différencier non seulement dans ses dérivés traditionnels trouvés in vivo (mélanocytes, neurones et cellules gliales), mais aussi dans des phénotypes mésenchymateux, y compris adipocytes et ostéoblastes. Comme dans les cellules de la CN céphalique, ces phénotypes mésenchymateux se différencient à partir de progéniteurs multipotents. Ceci suggère que, au cours de l’évolution, les cellules souches de la CN, dotées de potentiels à la fois mésenchymateux et neuraux, ont eu l'expression de leur potentiel mésenchymateux inhibée dans le tronc. Ainsi, chez les Vertébrés amniotes, même s’il ne se manifeste pas et reste dormant in vivo, un potentiel de différenciation mésenchymateuse est bien présent dans les cellules de la CN troncale et peut être révélé in vitro.


  • Résumé

    The neural crest (NC) derives from the dorsal borders of the vertebrate neural tube. During development, the NC cells migrate and contribute to the formation of different tissues and organs. Along the anteroposterior axis, the NC gives rise to neurons and glia of the peripheral nervous system and to melanocytes. Furthermore, the cephalic NC yields mesenchymal tissues, which form all facial cartilages and bones, the large part of skull, facial dermis, fat cells and smooth muscle cells in the head. In the trunk of amniotes Vertebrates, these tissues are derived from the mesoderm, not from the NC. In lower Vertebrates, however, the trunk NC generates some mesenchymal tissues, such as in the dorsal fins of zebrafish. The question therefore is raised whether the ability of the NC to produce mesenchymal cells was totally lost in the trunk of amniote Vertebrates during evolution, or if it can still be achieved under specific conditions. This work is interested in uncovering the mesenchymal potential of the avian trunk NC, with special interest in the differentiation into osteoblasts and adipocytes.Our experimental approach was to examine the skeletogenic and adipogenic differentiation potentials of quail trunk NC cells after in vitro culture. Cell differentiation was evidenced by the analysis of lineage-specific genes and markers using in situ hybridization (ISH), immunocytochemistry and RT-PCR. The established culture conditions allowed observation of both skeletogenesis and adipogenesis. Osteogenesis was initially characterized by expression of Runx2, the first transcription factor specific of the osteoprogenitors, which was detected by ISH from 5 days of culture. Later, we observed osteoblast maturation, with the expression of collagen1 protein, osteopontin mRNA and alkaline phosphatase mRNA, until the bone matrix mineralization stage. The trunk NC cells also underwent chondrogenesis, as demonstrated by Sox9, aggrecan and collagen10 mRNA expression, and Alcian blue staining. The observation of the mineralized areas and chondrogenesis suggested that the trunk NC cells in vitro are able to perform endochondral and membranous ossifications. In same culture conditions, the cells differentiated also into adipocytes, identified from 10 days of culture by Oil Red O staining. The mRNAs of the CEBP, PPAR and FABP4 adipogenic markers were detected by RT-PCR from 3 days of culture. For the characterization of bone and adipocyte progenitors, we evaluated the differentiation potential of individual trunk NC cells. The phenotypic analysis of these clonal cultures showed that 76% of the cells generated Runx2-positive osteoblasts. Moreover, most of the clone-forming trunk NC cells were multipotent progenitors endowed with both neural and osteogenic potentials. Furthermore, in another clonal culture condition, adipocytes were found in 35.3% of the clones, and approximately half of them also contained glial and/or melanogenic cells.These results show that the trunk NC cells in vitro are able to differentiate not only in their classical derivatives found in vivo (melanocytes, neurons and glial cells), but also in mesenchymal phenotypes, including adipocytes and osteoblasts. Importantly, as in cephalic NC cells, mesenchymal phenotypes differentiated from multipotent progenitor cells, suggesting that, during evolution, the NC stem cells intended for both mesenchymal and neural fates, had the expression of their mesenchymal potential inhibited in the trunk. Thus, although at the dormant state and not expressed in vivo, a significant mesenchymal potential is present in the trunk NC cells of amniotes Vertebrates and can be disclosed in vitro


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