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Symmetry breaking in mouse development

Korotkevich, Ekaterina

German Title: Symmetriebruch in der Mausentwicklung

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Abstract

Unlike many other species, where the body plan is already pre-patterned in the oocyte or upon fertilization, in the early mouse embryo there is no asymmetry up to 8-cell stage when all cells in the embryo have the same morphology and developmental potential. As development proceeds initially identical cells of the embryo segregate into two distinct cell lineages: trophectoderm (TE) and the inner cell mass (ICM) (Wennekamp et al., 2013; Rossant and Tam, 2009; Yamanaka et al., 2006). While both apical-basal cell polarity (Hirate et al., 2013; Alarcon, 2010) and cell-cell adhesion (Stephenson, Yamanaka and Rossant, 2010) are required for this differentiation, the decisive cue that breaks symmetry between the cells and is sufficient for specifying the first cell fate remains to be identified (Wennekamp et al., 2013). To understand the mechanism underlying the symmetry breaking in the mouse embryo, in this study I have established a new experimental system in which a blastomere isolated at the 8-cell stage (1/8th blastomere) recapitulates the first lineage segregation between TE and ICM during its development into 4/32th mini-blastocyst. Using live-imaging and quantitative image analysis, I identified that inheritance of the apical domain during 1/8th-to-2/16th-cell stage division allows for predicting the process leading to TE fate specification. The majority of 8-cell blastomeres undergo asymmetric division defined by the differential segregation of the apical domain among daughter cells. In the 8-cell stage embryo, the apical domain, emerging at the center of the contact-free surface of the blastomere, recruits microtubule organizing centers to the sub-apical region, thereby forming one of the acentrosomal spindle poles and inducing the asymmetric division. After asymmetric 8-to-16-cell stage division, all cells that inherit the apical domain express a TE marker, Cdx2. In contrast, apolar cells can either acquire ICM fate, as previously described, or, if positioned on the embryo surface, form a new apical domain and turn on Cdx2. Thus, contrary to the previous model (Johnson and Ziomek, 1981b), cell fate is determined by its position within the embryo, but not by the division pattern. Finally, using 1/8th blastomere, I showed that cell contact, not mediated by Cdh1, facilitates cellular symmetry breaking and directs the apical domain formation in the center of the contact-free surface, and that the inheritance of this apical domain predicts the acquisition of TE fate.

Translation of abstract (German)

Anders als bei anderen Spezies in denen die Grundauslegung der Körperachsen bereits in der Oozyte oder während der Befruchtung festgelegt werden, entsteht im Mausembryo bis zum 8-Zell Stadium keine Asymmetrie. Alle Zellen besitzen die gleiche Morphologie und das gleiche Entwicklungs-Potenzial. Während die Entwicklung fortschreitet, differenzieren sich ursprünglich gleichartige Zellen des Embryos in zwei eigenständige Zelllinien; das Trophektoderm (TE) und die Innere Zell Masse (inner cell mass - ICM) (Wennekamp et al., 2013; Rossant and Tam, 2009; Yamanaka et al., 2006). Für diese Differenzierung sind die apikale-basale Zellpolarität (Hirate et al., 2013; Alarcon, 2010) sowie die Zell-Zell Adhäsion (Stephenson, Yamanaka and Rossant, 2010) gemeinsam erforderlich, wobei der ausschlaggebende, Symmetrie brechende Initiator für eine erste Spezifizierung des Zellschicksals noch nicht identifiziert wurde (Wennekamp et al., 2013). Um den Mechanismus zu verstehen der diesem Symmetrie-Bruch zugrunde liegt, habe ich in dieser Studie ein neues experimentelles System entwickelt, in welchem eine isolierte 1/8 Embryonale Zelle in ihrer Entwicklung zum 4/32 Zell Stadium die erste Zelllinien Differenzierung zwischen TE und ICM wiederspiegelt. Unter Verwendung von Lebendzellbeobachtung (Live-Imaging) und quantitativer Bild Analyse habe ich festgestellt, dass die Vererbung der apikalen Domäne während der 1/8 zur 2/16 Zellteilung eine Vorhersage über die Vorgänge zulässt, die zu einer Spezifikation der TE Zelllinien führen. Der größte Teil der 8-Zell Stadium Blastomeren durchlaufen eine asymmetrische Zellteilung, wenn man die unterschiedliche Verteilung der apikalen Domäne an die Tochterzellen zugrunde legt. Die in der Mitte der zellkontaktfreien Oberfläche, im 8-Zell Stadium entstehende apikale Domäne lokalisiert Mikrotubuli-Organisationszentren und somit auch einen der Spindelpole an die Sub-Apikale Region, wodurch eine asymmetrische Zellteilung induziert wird. Alle Zellen, die nach der asymmetrischen 8- zu 16-Zell Teilung eine apikale Domäne erben, exprimieren Cdx2, ein TE Marker. Im direkten Vergleich zeigt sich dass nicht- polare Tochterzellen nicht unbedingt ein ICM Zellschicksal annehmen müssen. Viele sind an der Oberfläche des Embryos positioniert, akquirieren eine apikale Domäne und schalten schlussendlich Cdx2 Expression an. Im Gegensatz zu dem bestehenden Model (Johnson and Ziomek, 1981b), wird das Zellschicksal durch die Position im Embryo festgelegt und nicht von der Zellteilung bestimmt. Schlussendlich konnte durch die Verwendung von 1/8 Blastomeren demonstriert werden, dass Cdh1 unabhängiger Zellkontakt den zellulären Symmetrie-Bruch hervorruft, sowie die Bildung der apikalen Domäne im Zentrum der Zellkontakt freien Oberfläche verursacht. Des Weiteren kann durch den Erhalt einer induzierten apikale Domäne eine Vorhersage für ein TE-Zellschicksal getroffen werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hiiragi, Dr. Takashi
Date of thesis defense: 17 July 2015
Date Deposited: 05 Sep 2016 09:08
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Mathematics and Computer Science > Department of Mathematics
Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
Controlled Keywords: Mouse, Preimplantation Embryo Development, Symmetry Breaking
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