Spécification de l’endothélium hémogénique

L'origine endothéliale des cellules hématopoïétiques définitives a été confirmée à la fin du XXème siècle par l'équipe de Dieterlen-Lièvre chez le poulet grâce à des marquages spécifiques de l'endothélium (dil LDL) in vivo qui ont été maintenus dans les cellules hématopoïétiques naissantes (Jaffredo et al., 1998). Chez la souris, en plus des marquages des CE in vivo (Oberlin et al., 2010a; Sugiyama et al., 2003; Zovein et al., 2008), la microscopie à intervalles de temps sur des tranches d'embryons de souris a permis de visualiser la transition endothéliale-hématopoïétique (TEH) dans laquelle les CE bourgeonnent de la paroi aortique tout en acquérant un phénotype hématopoïétique caractérisé par l'expression de CD41, c-KIT et SCA-1 (Boisset et al., 2010). Bien qu'aujourd'hui il n’existe aucun doute sur l’origine endothéliale des cellules hématopoïétiques, le moment exact du développement embryonnaire où la spécification de cet endothélium hémogénique a lieu et les mécanismes qui y conduisent sont inconnus. En effet, toutes les cellules qui tapissent les parois de

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l'aorte n'ont pas la capacité à devenir des cellules hématopoïétiques. Seul un sous-ensemble de cet endothélium, situé principalement dans la région ventrale de l'aorte dorsale, subit une TEH entre E10,5 et E12 (Taoudi and Medvinsky, 2007). Pardanaud et al. ont démontré, chez le poulet, que l'endothélium aortique avait deux origines différentes. L'endothélium de la paire d'aortes dorsales, dérivé du mésoderme splanchnopleurale, est progressivement remplacé par l'endothélium dérivé du mésoderme somitique lors de la fusion des deux aortes chez le poulet (Pardanaud et al., 1996). L'hématopoïèse définitive coïncide dans le temps avec une aorte d’origine mixte composée d'un endothélium d'origine somitique sur le côté dorsal et latéral et dérivé de la splanchnopleure sur le côté ventral. Il est intéressant de noter que la disparition des clusters hématopoïétiques dans l'aorte se produit en même temps que l'endothélium aortique est remplacé entièrement par les CE d'origine somitique, ce qui suggère qu’au moins chez le poulet, l'endothélium hémogénique serait dérivé du mésoderme-splanchnopleurale (Pardanaud et al., 1996). D'autre part, des expériences menées chez la souris ont mis en évidence le rôle des tissus localisés autour de l'AGM dans l'induction ou l'inhibition de l'hématopoïèse. Ainsi, les signaux provenant des tissus placés du côté dorsal de l'AGM (e.g. le tube neural) pourraient inhiber l'hématopoïèse de ce côté de l’aorte, tandis que les signaux provenant des tissus ventraux (e.g. l’endoderme gastro-intestinal) favoriseraient l’hématopoïèse sur la paroi ventrale (e.g. VEGF, bFGF, TGF-β, BMP4) (Gritz and Hirschi, 2016; Jaffredo et al., 2013; Peeters et al., 2009; Pimanda et al., 2007) .

En tout état de cause, les CE hémogéniques partageraient les premiers stades du développement embryonnaire avec le reste des CE, c'est-à-dire, elles proviennent du mésoderme Flk1+ et requièrent l’expression du facteur de transcription ETV2 pour l'établissement de l'identité endothéliale, puisque, comme expliqué dans le chapitre précédent, les embryons de souris Flk1-/- ou Etv2-/- meurent en raison de l'absence de vaisseaux sanguins et de cellules hématopoïétiques (Lee et al., 2008; Shalaby et al., 1995). Cependant, le potentiel hématopoïétique exceptionnel de l'endothélium hémogénique suggère une divergence des autres CE dans leur différenciation, bien que le moment exact de cet événement reste inconnu. Les facteurs de transcription hématopoïétiques SCL et GATA2 sont activés par ETV2 (Kataoka et al., 2011) et sont également exprimés par les CE (Kappel et al., 2000). Les souris mutantes pour Scl (Porcher et al., 1996; Robb et al., 1995; Shivdasanl et al., 1995) ou pour Gata2 (Tsai et al.,

1994) meurent à E9,5 et E10,5, respectivement, en l'absence de cellules hématopoïétiques et avec des

malformations vasculaires. Contrairement à GATA2, dont le rôle dans l'hématopoïèse définitive a été établi, comme nous le verrons dans la section suivante, le mode d'action du SCL n’a pas été complètement décrit mais il pourrait agir dans une fenêtre temporelle très courte pendant la spécification hématopoïétique et endothéliale du mésoderme (Drake and Fleming, 2000; Van Handel et al., 2012; Ismailoglu et al., 2008; Porcher et al., 1996). Il convient de mentionner que les souris Scl

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ainsi que les CSEm portant la même mutation génèrent toutes deux des CE. Cela suggère que le SCL est nécessaire pour la spécification de l'endothélium hémogénique mais il n’est pas indispensable pour la différenciation endothéliale (Robertson et al., 2000; Visvader et al., 1998). De plus, l’élimination du SCL spécifiquement dans les CE Tie2+ chez les souris n’a pas affecté la production de CSH ayant un potentiel de reconstitution hématopoïétique à long terme, bien que les souris meurent entre E13,5 et E14,5 à cause de défauts de différenciation des érythrocytes et de mégacaryocytes (Schlaeger et al., 2005).

Avec SCL, un autre facteur de transcription, HOXB4, a été également décrit dans la spécification de l'endothélium hémogénique peu après la formation du mésoderme. Les souris HoxB4-/- ne présentent pas de défauts majeurs de l'hématopoïèse embryonnaire, à l'exception d'une prolifération légèrement réduite des CSH du foie et de la moelle osseuse (Brun et al., 2004). Cependant, d'autres facteurs de transcription HOX pourraient compenser l'absence de ce facteur. En effet, l'élimination simultanée d’HOXB3 et HOXB4 accentue le phénotype HoxB4-/- (Björnsson et al., 2003). La différenciation des CSEm dont l'expression d’HOXB4 a été induite en présence du tamoxifène a permis d'établir l'action d’HOXB4 après la formation du mésoderme et avant le début de l'expression du facteur de transcription à domaine Runt 1 (RUNX1 de l’anglais « runt-related transcription factor 1 »). De plus, l'expression ectopique d‘HOXB4 augmente le nombre de CE hémogéniques in vitro et régule l'expression des facteurs de transcription impliqués dans la transition endothéliale-hématopoïétique tels que RUNX1, SCL, GATA2 ou LMO2 (de l’anglais « LIM domain only 2 ») (Teichweyde et al., 2017, 2018).

D'autre part, des études menées chez des souris dépourvues de l'enzyme rétinaldéhyde déshydrogénase 2 (Raldh2), qui synthétise l'acide rétinoïque (AR), suggèrent que l'AR est nécessaire pour la formation de l'endothélium hémogénique et postérieurement pour la TEH (Chanda et al., 2013; Goldie et al., 2008; Marcelo et al., 2013). Les souris Raldh2-/- contiennent moins de CE hémogéniques dans le sac vitellin, avec une capacité hématopoïétique inférieure à celle des souris sauvages. Cependant, l'ajout d'AR exogène dans l'utérus permet de restaurer le phénotype sauvage chez les embryons mutants (Goldie et al., 2008). De plus, l'élimination conditionnelle de Raldh2 dans les CE CD144+ inhibe la formation de CSH dans l’AGM (Chanda et al., 2013). Dans ce modèle, la culture in vitro des pré-CSH (CD144+CD45-) Raldh2-/- avec des agonistes aux récepteurs RA α (RAR-α pour “récepteurs

de l'acide rétinoïque alpha») a restauré le potentiel de reconstitution hématopoïétique de ces cellules

(Chanda et al., 2013).

La voie de signalisation Notch joue également un rôle important dans la spécification de l'endothélium hémogénique et serait sous le contrôle de l'AR (Marcelo et al., 2013). Dans le chapitre précédent, la spécification artérielle des CE par la voie Notch a été discutée. Des études comparatives

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entre les CE hémogéniques de l’AGM et les CE non hémogéniques ont révélé un enrichissement du récepteur Notch1 et de ses effecteurs HES1 (de l’anglais « hairy and enhancer of split-1 ») et HEY1 (de l’anglais « hairy/enhancer-of-split related with YRPW motif protein 1 ») dans les CE hémogéniques (Marcelo et al., 2013). Jang et al. ont démontré, à travers la différenciation des CSEm génétiquement modifiées, par l’expression du récepteur Notch1 lors de la présence de la doxycycline, que Notch est nécessaire pour la spécification de l'endothélium hémogénique et pour la future TEH via l’activation du facteur de transcription FOXC2 (de l’anglais « forkhead box protein C2 ») (Jang et al., 2015). Dans une autre étude, les CSEm Notch1-/- ont été injectées dans le blastocyste de souris WT (souris contrôle, l’anglais « wild type »), les cellules Notch1-/- et WT ont été récupérées du sac vitellin, du foie et de la moelle osseuse des embryons entre E9,5 et E15,5. In vitro, la culture de ces cellules n’a rapporté aucune différence significative sur l'hématopoïèse entre les cellules Notch1-/- et WT provenant du sac vitellin avant E11,5. Toutefois, à partir d’E11,5, les cellules Notch1-/- ont montré un potentiel hématopoïétique beaucoup plus réduit par rapport aux cellules WT, ce qui suggère que la voie Notch n'est nécessaire que pour le développement d'une hématopoïèse définitive et n’est pas indispensable pour l’hématopoïèse primitive (Hadland et al., 2004). Il est intéressant de noter que l’AR et la voie Notch semblent toutes les deux réguler l'expression de c-KIT, un marqueur de l'endothélium hémogénique et récepteur du SCF et de l'inhibiteur du cycle cellulaire p27 (Marcelo et al., 2013). L'implication de ces derniers dans la spécification de l'hématopoïèse suggère que les CE arrêtent leur cycle cellulaire avant la spécification hématopoïétique. Enfin, des études sur des embryons de souris,

in vivo, et sur des CSEm, in vitro, ont permis d'identifier le rôle du facteur SOX17 dans la spécification

de l'endothélium hématopoïétique (Clarke et al., 2013; Kim et al., 2007). Notamment, SOX17 régule l'expression de Notch1 dans les CE progénitrices des cellules hématopoïétiques (Clarke et al., 2013;

Kim et al., 2007). Fait remarquable, étant donné le rôle de Nocth1 et de SOX17 dans la spécification du

phénotype artériel des CE (Corada et al., 2013, 2014) et du fait que l'hématopoïèse définitive a été décrite principalement dans les artères (De Bruijn et al., 2000; Li et al., 2012; Rhodes et al., 2008). Ainsi, la spécification artérielle peut être nécessaire à la formation de l'endothélium hémogénique (Uenishi et al., 2018).