Pluripotent stem cells as research models: the examples of trinucleotide repeat instability and X-chromosome inactivation

Abstract

Els models de malalties són una eina bàsica per la comprensió de les malalties humanes. Actualment, la majoria de la informació de la que disposem de malalties humanes es basa en models animals. Tot i això, els models animals difereixen molecular i fenotípicament dels humans, i no sempre reprodueixen fidelment la malaltia humana. En les últimes dècades, les cèl·lules mare humanes s’han establert com una opció molt interessant en el camp de la modelització cel·lular. En aquest treball hem volgut caracteritzar les cèl·lules mare embrionàries com a models per a l’estudi de la inestabilitat de la repetició de trinucleotids a la distròfia miotonica tipus 1 (DM1) i la malaltia de Huntington (HD). Així mateix, hem volgut estudiar la inactivació del cromosoma X amb la intenció de fer servir linees cel·lulars com a models per l’estudi del desenvolupament embrionàri humà. A la primera part d’aquest treball, hem observant una inestabilitat de repeticions de trinucleotids significativa al locus de la malaltia DM1 de les cèl·lules mare estudiades. La diferenciació d’aquestes cèl·lules va estabilitzar el número de repeticions. L’estabilització de les repeticions va ser concomitant amb la regulació a la baixa de l’expressió de gens involucrats en els mecanismes de reparació cel·lular. Posteriorment a la publicació del nostre article, altres grups varen reproduir els nostres resultats, però en aquest cas utilitzant cèl·lules mare induïdes. Els estudis recolzen la reproductibilitat dels nostres resultats, suggerint que poden ser extrapol·lats a altres linees de cèl·lules mare arreu del mon. Referent a la mutació de HD, varem trobar que era estable en totes les condicions estudiades, en cèl·lules indiferenciades, diferenciades a progenitors d’os, teratomes i progenitors neurals. Aquests resultats estan en concordancia amb els resultats obtinguts per altres grups que descriuen un baix nombre de repeticions al locus de HD. Per altra banda, varis grups han descrit la presencia de inestabilitat de les repeticions en cèl·lules diferenciades a la linea neural. La discrepància entre els nostres resultats i aquests últims podria ser deguda a la obtenció de cèl·lules neurals menys madures en el moment del nostre estudi. A la segona part d’aquesta tesis hem estudiat la inactivació del cromosoma X en 23 línies femenines de cèl·lules mare pluripotents. Vàrem observar una ràpida progressió de les cèl·lules de dependència de XIST en la inactivació del cromosoma X cap a un estat d’adaptació al cultiu que es caracteritza per un estadi de inactivació independent de l’expressió de XIST i amb una erosió de la metilació. També describim un patró d’inactivació esbiaixat en la majoria de les línies estudiades, contrari al patró aleatori observat en cèl·lules femenines adultes. A més a més, aquest patró és independent de XIST, de l’origen del cromosoma X i d’aberracions cromosòmiques. Aquests resultats suggereixen que el patró esbiaixat observant esta dirigit provablement per l’activació o repressió d’al·lels específics que es troben en el cromosoma X i que li confereixen a la cèl·lula un avantatge respecte a les altres cèl·lules. En conclusió, les cèl·lules mare pluripotents semblen ser un bon model in vitro per a l’estudi d’ambdues malalties, DM1 i HD, ja que presenten el mateix patró d’inestabilitat de la repetició del trinucleotid que s’observa in vivo. Cal remarcar també la depencia Overall, hPSC appear to be a good in vitro model for the study of both DM1 and HD TNR instability, as the repeat follows in vitro the same patterns as found in vivo, including its dependency of the MMR machinery, particularly in the case of DM1. However, our results on the study of the X chromosome inactivation (XCI) state suggest caution when using hPSC as early human developmental research models. The eroded state of XCI found in many of the hPSC lines, and the frequency of skewed XCI patterns suggests that these cells are not a good proxy to early embryonic cells, at least what XCI is concerned. Conversely, they may still provide an interesting model to study gene function and mechanisms implicated.

Disease modelling is an essential tool for the understanding of human disease. Currently, much of the information we have on human diseases is based on animal models. However, animal models differ molecularly and phenotypically from humans, and are not always suitable to reproduce with fidelity human diseases. In the past decades, human pluripotent stem cells (hPSC) have emerged as an interesting option in the field of cellular modelling, this development recently having taken up much momentum. In this work, we aimed at characterizing hPSC as models for the study of Myotonic dystrophy type 1 (DM1) and Huntington’s disease (HD) trinucleotide repeat (TNR) instability and to investigate the status of the X-chromosome inactivation with an eye on using these cells as models for early human development. In the first part of our work, we observed a significant TNR instability for the DM1 locus in hESC, and that differentiation resulted in a stabilization of the repeat. This stabilization was concommitant with a downregulation of the mismatch repair (MMR). Our results were later replicated in hiPSC by other researchers, showing their reproducibility and suggesting they may be extrapolated to other hPSC lines worldwide. Regarding the HD repeat, we found it was very stable in all conditions studied, both in undifferentiated hESC and cells differentiated into osteogenic progenitor-like cells, teratoma cells and neural progenitors. This is in line with other studies showing that hESC show very limited TNR in the HD locus. On the other hand, some groups have now reported some instability of this locus in cells differentiated into the neuronal lineage. The instability seen in neuronal lineage in later studies, not in our study, is probably explained by the use of hPSC derived neurons more similar to the cells showing in vivo instability than the ones we were able to generate at the time of the study. In the second part of the thesis we studied the X-chromosome inactivation in 23 female hPSC lines. We found that hPSC rapidly progress from a XIST-dependent XCI state to a culture-adapted, XIST-independent XCI state with loss of repressive histone modifications and erosion of methylation. We also report a remarkably high incidence of non-random XCI patterns, and that this skewing of the methylation patterns is independent from the transition to the XIST-independent XCI state, the origin of the X chromosome or chromosomal aberrations. These results suggest that XCI skewing is possibly driven by the activation or repression of a specific allele on the X chromosome, conferring a growth or survival advantage to the cells. Overall, hPSC appear to be a good in vitro model for the study of both DM1 and HD TNR instability, as the repeat follows in vitro the same patterns as found in vivo, including its dependency of the MMR machinery, particularly in the case of DM1. However, our results on the study of the X chromosome inactivation (XCI) state suggest caution when using hPSC as early human developmental research models. The eroded state of XCI found in many of the hPSC lines, and the frequency of skewed XCI patterns suggests that these cells are not a good proxy to early embryonic cells, at least what XCI is concerned. Conversely, they may still provide an interesting model to study gene function and mechanisms implicated.