This thesis aims to decipher how the paralogous paired-box transcription factors Pax3 and Pax7 control cell cycle progression and the fates of progenitor cells in different tissues, and is composed of two main parts. • Uncoupling cell cycle from cell differentiation; cell fate decision of Pax3+ myogenic progenitor cells during limb skeletal muscle development. It has been previously shown that muscle formation relies on a proliferating population of progenitor cells that express and require the activity of both Pax3 and Pax7. In addition, key molecular pathways have been identified that regulate the differentiation and the growth arrest of these progenitors. Hence, skeletal muscle represents a good model to study the cross talk between these distinct regulators that coordinate cell cycle exit with muscle progenitor cell differentiation. In a close collaboration with other members of the team, I have shown that cell cycle exit mediated by the cyclin-dependent kinases inhibitors (CDKIs, p21cip1 and p57kip2) and myogenic differentiation controlled by the myogenic regulatory factors (MRFs, Myf5 and MyoD) can be genetically uncoupled during muscle development. We have identified a functional interplay between Notch signalling and both the MRFs and CDKIs activities. Importantly, we demonstrated that cell-cell signalling between progenitors and differentiated muscle cells (myoblasts) is required to maintain the cycling status of the progenitors population. The analysis of several mouse models and ex vivo experimental approaches indicates that when either the progenitor-myoblast interaction or Notch signalling is impaired, progenitor cells activate p57 and leave the cell cycle. Moreover, we identified a muscle-specific regulatory element of p57 directly activated by the MRFs in the myoblasts but repressed by the Notch effectors Hes1 and Hey1 in progenitor cells. Therefore, we demonstrate that the integration at the level of a single key cell cycle enhancer regulating both Notch and MRFs activities is a strong means by which the equilibrium between amplification of the progenitor pool and the establishment of definitive functions of skeletal muscle is ensured. • Unexpected requirement of an environmental stress response pathway in the control of Pax3+ neural crest derivatives growth and maintenance during craniofacial development. Exposure to environmental teratogenic pollutants is a major threat to the development of the embryo. For instance, exposure to dioxin, a violent teratogen, during pregnancy can lead to severe developmental defects as revealed after the Vietnam War and the Seveso disaster. Most teratogens have been shown to interfere with genetic programs regulating developmental processes. However, the molecular and cellular events underlying these developmental defects remain undefined. Here we report a molecular link between an environmental stress response pathway and Pax3 and Pax7, two key developmental genes. Previous studies have shown that Pax3 and Pax7 play pivotal role for the integration of various inputs during neural crest induction and for controlling the specification of neural crest derivatives. Although Pax3 and Pax7 function during early neural crest development is highly conserved among vertebrates, their function during craniofacial formation is unknown. Using mutant mice with impaired Pax3/7 function that display facial clefts, we showed these defects are associated with an up-regulation of the signalling pathway mediated by the Aryl hydrocarbon Receptor (AhR), the receptor to dioxin. In Pax3/7 mutants, increased AhR activity drives facial mesenchymal cells out of the cell cycle through the up-regulation of the expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21. Accordingly, inhibiting AhR activity rescues the cycling status of these cells and the facial closure of Pax3/7 mutant embryos. Together, our results demonstrate the necessity of the interaction between this environmental stress response pathway with Pax3 and Pax7 downstream gene regulatory network during normal craniofacial development.
Waehrend meiner Dissertation habe ich mich mit der Entschluesselung der Zellzykluskontrolle und der Bestimmung des Zellschicksals von Vorlaeuferzellen verschiedener Gewebetypen durch die paralogen paired-box Transkriptionsfaktoren Pax 3 und Pax7 beschaeftigt. Daher laesst sich meine Arbeit in zwei Hauptteile unterteilen. • Die Entkoppelung von Zellzyklus und Zelldifferenzierung - das Zellschicksal von Pax3-positiven myogenen Vorlaeuferzellen waehrend der Skeletmuskelentwicklung. Skeletmuskelentwicklung ist abhaengig von einer proliferierenden Population von Vorlaeuferzellen, die Pax3 und Pax 7 exprimieren und gleichzeitig auf die Aktivitaet beider Transkriptionsfaktoren angewiesen sind. Signalwege, die Differenzierung und Wachstumsstillstand dieser Vorlaeuferzellen regulieren, sind bereits entschluesselt worden. Daher ist der Skeletmuskel ein geeignetes Model, um Ueberschneidungen in Signalwegen dieser Regulatoren, die Zellzyklus und Zelldifferenzierung der Muskelvorlaeuferzellen koordinieren, zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit einem PostDoc konnte ich zeigen, dass Zellzyklusaustritt, vermittelt durch die Zyklin-abhaengigen Kinaseinhibitoren p21cip1 und p57kip2 und myogene Differenzierung, kontrolliert durch die Muskelregulationsfaktoren (MRF) Myf5 und MyoD, waehrend der Muskelentwicklung genetisch voneinander entkoppelt werden koennen. Im Gegensatz dazu konnten wir ein Zusammenspiel des Notch-Signalweges mit MRFs sowie mit Zyklin-abhaengigen Kinaseinhibitoren identifizieren. Besonders hervorzuheben ist, dass wir zeigen konnten, dass Zell-Zell-Kommunikation zwischen Vorlaeuferzellen und determinierten Muskelzellen (Myoblasten) notwendig ist fuer die Zellzyklusaktivitaet der Vorlaeuferzellen. Die Analyse verschiedener Mausmodelle und von ex vivo Experimenten gibt Hinweis darauf, dass eine Stoerung der Zell-Zell-Kommunikation zwischen Vorlaeuferzellen und Myoblasten oder des Notch-Signalweges zur Aktivierung von p57 in Vorlaeuferzellen und zum Zellzyklysaustritt fuehren. Daruber hinaus, haben wir ein Muskel-spezifisches Regulatorelement von p57 identifiziert, das in Myoblasten durch die MRFs aktiviert und von den Notch Effektoren Hes1 und Hey1 in Vorlaeuferzellen inhibiert wird. So konnten wir zeigen, dass die Regulation eines der Hauptregulatoren des Zellzyklus (i.e. p57) durch einen einzelnen Signalverstaerker, der Notch und MRF Aktivitaet vermittelt, als Traeger des Equilibriums zwischen Vorlaeuferzellpool und Etablierung definitiver Skeletmuskelfunktion, stattfindet. • Unerwartete Notwendigkeit eines umgebungsbedingten Stressantwort-Signalwegs in der Kontrolle von Wachstum und Erhaltung Pax3-positiver Neuralleistenderivate Eine Hauptgefaehrdung der Embryonalentwicklung sind umgebungsbedingte teratogene Schadstoffe. Der Kontakt mit Dioxin, einem starken Teratogen waehrend der Schwangerschaft kann zur Bildung einer Lippen- und/oder Gaumenspalte fuehren, wie in Folge des Vietnamkrieges und des Sevesounglueckes erkannt wurde. Die meisten Teratogene greifen in die genetische Regulation von Entwicklungsprozessen ein. Allerdings sind die molekularen und zellulaeren Vorgaenge dieser Entwicklungsstoerungen noch nicht definiert. Wir zeigen hier eine Verbindung auf molekularer Ebene zwischen umgebungsbedingtem Stressantwort-Signalweg und den Schluesselentwicklungsgenen Pax3 und Pax7. Fruehere Studien haben gezeigt, dass Pax3 und Pax7 eine entscheidende Rolle fuer die Vernetzung verschiedener Signale waehrend der Neuralleisteninduktion und der Spezifizierung von Neuralleistenderivaten sind. Obwohl die Funktion von Pax3 und Pax7 waehrend der Neurralleistenentwicklung in Vertebraten hochkonserviert ist, ist ihre Funktion in der kraniofazialen Entwicklung nicht bekannt. In Mausmodellen mit eingeschreankter Pax3/7 Funktion, die Gesichtsspalten analog zu Dioxin- induzierten Fehlbildungen aufweisen, konnten wir zeigen, dass diese Defekte mit einer Hochregulierung des Dioxin-Rezeptor Aryl- Hydrocarbon-Rezeptor (AhR) vermittelten Signalwegs einhergehen. Im Pax3/7 mutanten Mausmodel werden faziale mesenchymale Zellen aufgrund erhoehter AhR Aktivitaet durch erhoehte Expression des Zyklin-abhaengigen Kinase Inhibitors p21 aus dem Zellzyklus entlassen. Dementsprechend fuehrt die Inhibierung von AhR Aktivitaet zur Aufrechterhaltung der Zellzyklusaktivitaet dieser Zellen und zum Schliessen der Gesichtspalte in Pax3/7 mutanten Embryonen. Dies zeigt die Notwendigkeit der Interaktion zwischen dem umgebungsbedingten Stressantwort-Signalweg und der nachgeschalteten Pax3 und Pax7 kontrollierten Genregulation in der normalen kraniofazialen Gesichtsentwicklung.
