Evolutionary conservation and roles of ROS signalling in the initiation of regeneration. Insight from the cnidarian Nematostella vectensis and the annelid Platynereis dumerilii
Conservation évolutive et rôles de la signalisation par les ROS durant l'initiation de la régénération. Apport du cnidaire Nematostella vectensis et de l'annélide Platynereis dumerilii
Abstract
Regeneration, i.e. the ability to reform a body part lost through injury or amputation, is a widespread phenomenon in metazoans. However, regenerative capacities vary from one species to another, from a few cell types to the whole body from a fragment. Although stereotypical stages (wound healing, precursor mobilization, morphogenesis) are found in all studied species, it remains largely unknown whether regeneration relies on conserved molecular and cellular mechanisms in metazoans, or whether several aspects of the regenerative process have evolved independently across lineages.Over the past decade, studies have demonstrated that reactive oxygen species (ROS) are produced after amputation in various models, and that they are necessary for successful regeneration. To determine if ROS production is a systematic component of metazoan regeneration, and whether its role is based on conserved mechanisms, my thesis work explored this subject in two emerging models: the annelid Platynereis dumerilii, capable of regenerating various structures including its complex posterior part, and the cnidarian Nematostella vectensis, capable of regenerating its entire body.To unravel the evolutionary history of ROS metabolism genes, I first carried out a comparative genomics study on a large panel of metazoan species. This analysis shows that the vast majority of animals possess a combination of genes enabling ROS production and detoxification, as well as regulation of the antioxidant response. The absence of Keap1, an inhibitor of Nrf (Antioxidative Response Element genes transcription factor), in sponges, ctenophores and many cnidarian species including N. vectensis raises questions about the regulation of the antioxidant response in non-bilaterians.Having identified the genes involved in ROS metabolism in both models, I demonstrated dynamic spatio-temporal expression of some of these genes during posterior regeneration in P. dumerilii and oral regeneration in N. vectensis, using transcriptomic data generated by my thesis teams and in situ hybridizations. I found ROS production takes place during regeneration, using a fluorescent marker in P. dumerilii and an H2O2 reporter reagent in N. vectensis. Both methods reveal early ROS production following amputation, localized near the amputation plane in P. dumerilii. A transgenic line expressing the H2O2 genetic sensor HyPer7 is currently being generated to localize and quantify this production in N. vectensis.To assess the role of this ROS production, I performed functional analyses using Nox/Duox enzyme inhibitors. This treatment blocked regeneration at early stages in both models. The effects of ROS inhibition on apoptosis and proliferation, two mechanisms required for regeneration, were also assessed. I showed that ROS are required for the induction of cell proliferation but not apoptosis in P. dumerilii, while their inhibition reduces apoptosis and impacts the tissue distribution of proliferating cells in N. vectensis. Further phenotypic characterization in P. dumerilii suggests a tissue-dependent effect of mitogenic ROS signalling between ectoderm and meso-endoderm.In conclusion, although it relies on different transcriptional and enzymatic dynamics and fulfils distinct functions in the two models, ROS production appears to be a robust and necessary component of the regenerative process in metazoans, acting plastically via molecular and cellular mechanisms that differ between species.
La régénération, ie la capacité à reformer une partie du corps perdue suite à une blessure ou une amputation, est un phénomène répandu chez les métazoaires. Toutefois les capacités régénératives varient selon les espèces, de quelques types cellulaires à l'intégralité du corps à partir d'un fragment. Bien que des étapes stéréotypiques (cicatrisation, mobilisation de précurseurs, morphogénèse) soient retrouvées chez toutes les espèces étudiées, on ignore encore largement si la régénération repose sur des mécanisme moléculaires et cellulaires conservés chez les métazoaires, ou si plusieurs aspects du processus régénératif ont évolué indépendamment selon les lignées.Durant la dernière décennie, des études ont mis en évidence après amputation chez divers modèles une production d'espèces réactives de l'oxygène (ou ROS), nécessaire au succès de la régénération. Pour déterminer si la production de ROS est une composante systématique de la régénération des métazoaires et si son rôle repose sur des mécanismes conservés, mon travail de thèse a exploré cette thématique chez deux modèles émergents : l'annélide Platynereis dumerilii, capable de régénérer diverses structures dont sa partie postérieure complexe, et le cnidaire Nematostella vectensis, capable de régénérer son corps entier.Afin de déterminer l'histoire évolutive des gènes du métabolisme des ROS, j'ai mené dans un premier temps une étude de génomique comparative sur un vaste panel d'espèces métazoaires. Cette analyse montre que la majorité des animaux possède une combinaison de gènes permettant la production et la détoxification des ROS ainsi que la régulation de la réponse antioxydante. L'absence de Keap1, inhibiteur de Nrf (facteur de transcription des gènes à Antioxidative Response Element), chez les éponges, cténophores et de nombreuses espèces cnidaires dont N. vectensis soulève des interrogations sur la régulation de la réponse antioxydante chez les non-bilatériens.Ayant identifié les gènes impliqués dans le métabolisme des ROS chez les deux modèles, j'ai mis en évidence une expression spatio-temporelle dynamique de certains de ces gènes au cours de la régénération postérieure de P. dumerilii et orale de N. vectensis, grâce à des données transcriptomiques produites par mes équipes de thèse ainsi que des hybridations in situ. J'ai mis en évidence la production de ROS au cours de la régénération, au moyen d'un marqueur fluorescent chez P. dumerilii et d'un réactif rapporteur de la production d'H2O2 chez N. vectensis. Les deux méthodes révèlent une production précoce de ROS suite à l'amputation, localisée près du plan d'amputation chez P. dumerilii. Une lignée exprimant le senseur génétique de l'H2O2 HyPer7 est en cours de production afin de localiser et quantifier cette production chez N. vectensis.Afin d'évaluer le rôle de cette production de ROS, j'ai effectué des analyses fonctionnelles au moyen de d'inhibiteurs des enzymes Nox/Duox. Ce traitement bloque la régénération a des stades précoces chez les deux modèles. Les effets de l'inhibition des ROS sur l'apoptose et la prolifération, deux mécanismes nécessaires à la régénération, ont été également évalués. J'ai montré que les ROS sont requis pour l'induction de la prolifération cellulaire mais pas pour celle de l'apoptose chez P. dumerilii, tandis que leur inhibition réduit l'apoptose et impacte la répartition tissulaire des cellules en prolifération chez N. vectensis. Une caractérisation phénotypique supplémentaire chez P. dumerilii suggère un effet mitogène tissue-dépendant des ROS entre l'ectoderme et le méso-endoderme.Ainsi, bien qu'elle repose sur des dynamiques transcriptionnelles et enzymatiques différentes et remplisse des fonctions distinctes chez les deux modèles, la production de ROS semble être un élément robuste et nécessaire au cours du processus régénératif chez les métazoaires, agissant de façon plastique via des mécanismes moléculaires et cellulaires différents selon les espèces.
| Origin | Version validated by the jury (STAR) |
|---|