Tissue-intrinsic control of AVE differentiation in stem cell models

Abstract

Differentiation and patterning in the early mammalian embryo depend on interactions between embryonic and extraembryonic lineages. One critical cell population specified through these interactions is the anterior visceral endoderm (AVE). Situated within the visceral endoderm (VE), the AVE serves as a pivotal signaling center during embryonic development by determining the body axis, ultimately positioning the head and tail within the underlying epiblast (Epi). The prevailing model for AVE differentiation in the mouse embryo posits that the AVE is induced by a uniform signal from the Epi, but an external inhibitory gradient from another extraembryonic tissue restricts its formation to a specific location beyond the gradient. In this thesis, I used mouse embryonic stem cells to establish an embryo-like aggregate system that challenged this model for AVE differentiation. These aggregates consist of an inner Epi core surrounded by a VE layer, thus resembling the embryo around the time of AVE formation but lacking the external gradient for AVE restriction. Remarkably, contrary to the established model, these aggregates manifest a spatially restricted AVE region within their VE compartment. Through single-cell RNA sequencing data analysis, I identified Nodal signaling as the critical signal from the Epi inducing AVE formation in the outer VE. Building upon this discovery, I initiated AVE differentiation in a homogeneous culture of VE cells, resulting in the development of a 2D AVE model. Activation of Nodal signaling within this model led to the formation of spatially constrained AVE clusters, unveiling a novel intrinsic mechanism within VE cells for spatially regulating AVE differentiation. To delineate the signal antagonizing AVE differentiation, I explored the role of different signaling networks in this tissue-intrinsic mechanism and identified β-catenin as the counteracting signal for AVE differentiation. Together, the findings shed light on an unexplored aspect of self-organization in AVE differentiation, potentially complementing the existing model of an inhibitory gradient mechanism in AVE formation.

Die Differenzierung und Musterbildung im frühen Säugetierembryo werden durch Interaktionen zwischen embryonalen und extraembryonalen Zelllinien koordiniert. Eine entscheidende Zellpopulation, die aus einer solchen Interaktion resultiert, ist das anteriore viszerale Endoderm (AVE). Das AVE bildet sich innerhalb des viszeralen Endoderms und fungiert als wichtiges Signalzentrum während der Embryonalentwicklung, indem es die Körperachse festlegt und die zukünftigen Regionen für Kopf und Schwanz im Epiblasten (Epi) positioniert. Das vorherrschende Modell der AVE-Differenzierung im Mausembryo besagt, dass das AVE durch ein uniformes Signal aus dem Epi induziert wird. Allerdings wird seine Bildung durch einen externen inhibierenden Gradienten von einem anderen extraembryonalen Gewebe an einen bestimmten Ort begrenzt. In dieser Arbeit habe ich murine embryonale Stammzellen verwendet, um ein Aggregatsystem zu etablieren, das dieses Modell der AVE-Differenzierung herausfordert. Diese Aggregate bestehen aus einem inneren Epi-Kern, der von einer VE-Schicht umgeben ist und somit dem Embryo um die Zeit der AVE-Bildung ähnelt, jedoch den externen Gradienten für die AVE Restriktion nicht aufweist. Bemerkenswerterweise zeigen diese Aggregate entgegen dem etablierten Modell eine räumlich begrenzte AVE-Region innerhalb ihrer VE-Schicht. Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung konnte ich Nodal als entscheidendes Signal aus dem Epi identifizieren, welches die AVE-Bildung im äußeren VE induziert. Unter Nutzung dieser Erkenntnis habe ich die AVE-Differenzierung in einer reinen Kultur von VE-Zellen induziert und so ein 2D-AVE-Modell entwickelt. Die Aktivierung des Nodal-Signalwegs in diesem Modell führte zur Bildung von AVE-Clustern, was auf einen neuartigen gewebespezifischen Mechanismus der VE-Zellen hinweist, der die AVE-Differenzierung räumlich begrenzt. Um das Signal zu bestimmen, das der AVE-Differenzierung entgegenwirkt, habe ich die Rolle verschiedener Signalnetzwerke in diesem Modell untersucht und β-Catenin als den gewebespezifischen Gegenspieler der AVE-Differenzierung identifiziert. Zusammenfassend tragen diese Ergebnisse dazu bei, einen bisher unerforschten Aspekt der Selbstorganisation in der AVE-Differenzierung aufzudecken, der das bestehende Modell eines inhibierenden Gradientenmechanismus in der AVE-Bildung potenziell ergänzen könnte