Apoptotic Cells Provide an Unexpected Source of Wnt3 Signaling to Drive Hydra Head Regeneration

Abstract

Decapitated Hydra regenerate their heads via morphallaxis, i.e., without significant contributions made by cell proliferation or interstitial stem cells. Indeed, Hydra depleted of interstitial stem cells regenerate robustly, and Wnt3 from epithelial cells triggers head regeneration. However, we find a different mechanism controlling regeneration after midgastric bisection in animals equipped with both epithelial and interstitial cell lineages. In this context, we see rapid induction of apoptosis and Wnt3 secretion among interstitial cells at the head- (but not foot-) regenerating site. Apoptosis is both necessary and sufficient to induce Wnt3 production and head regeneration, even at ectopic sites. Further, we identify a zone of proliferation beneath the apoptotic zone, reminiscent of proliferative blastemas in regenerating limbs and of compensatory proliferation induced by dying cells in Drosophila imaginal discs. We propose that different types of injuries induce distinct cellular modes of Hydra head regeneration, which nonetheless converge on a central effector, Wnt3.

The Hydra model: disclosing an apoptosis-driven generator of Wnt-based regeneration

“…Work over the past 10 years has shown that Hydra relies on the activation of the Wnt-βcatenin pathway to regenerate its head [33][34][35][36][37][38][39] . However this activation dramatically varies according to the amputation level 39 : Indeed after decapitation Wnt3 is rapidly and strongly up-regulated in the epithelial cells 33,37 , whereas after mid-gastric bisection the Wnt3 protein is first detected in the interstitial cells that undergo apoptosis-induced compensatory proliferation (see GLOSSARY) and subsequently Wnt3 is up-regulated in the epithelial cells 37,39 .…”

Instructive reconstruction: A new role for apoptosis in pattern formation

“…1A-C). This is the case for two types of head formation events: (1) post-metamorphosis and (2) [12] in the closely related Cnidarian Hydra has directly implicated apoptosis in a specific mode of head regeneration. Chera et al showed that the initial phase of Wnt3 expression responsible for head regeneration was produced in apoptotic cells post-injury and that blocking apoptosis using a pan-caspase inhibitor was sufficient to prevent head regeneration.…”

Entre homéostasie et développement, quelles stratégies pour régénérer ?

“…Les analyses biochimiques, cellulaires et moléculaires ont effectivement démontré que ces deux régions qui étaient adjacentes et identiques avant la bissection, subissent une réorganisation immédiate très différente afin de devenir rapidement des bourgeons de régénération spécifiques de la structure qu'ils vont régénérer. En particulier, après bissection au niveau mi-gastrique, l'activation de la voie MAPK et la phosphorylation du facteur de transcription CREB par la kinase RSK sont immédiatement observées du côté qui régénère une tête, induisant une apoptose massive des cellules de la lignée interstitielle et une augmentation rapide de la prolifération cellulaire (Kaloulis et al, 2004;Chera et al, 2009;Chera et al, 2011). Ces deux types de régénération se distinguent sur bien des points puisque, dans le cas de la régénération du pied, il s'agit d'un processus proche de la réparation tissulaire incluant une phase de cicatrisation et une phase de différenciation des cellules du disque basal, tandis que dans le cas de la régénération de la tête, une étape de morphogenèse permet la mise en place d'une structure aussi complexe que la tête.…”

“…En effet, pendant une très courte période, le cytoplasme de ces cellules apparaît fortement Wnt3 immunopositif. Cependant cette phase immédiate et transitoire de surproduction de la protéine Wnt3 ne semble pas être sous contrôle transcriptionnel dans la mesure où une augmentation significative de l'abondance des transcrits n'est détectée que quelques heures plus tard (Hobmayer et al, 2000;Chera et al, 2009;Lengfeld et al, 2009). Un scénario probable est que la protéine Wnt3 est en fait déjà présente dans les cellules qui vont mourir, vraisembablement séquestrée dans un complexe dont la conformation, la cohésion ou la composition est modifiée par suite du stress de l'amputation.…”

“…Régulation monophasique ou biphasique de la voie Wnt3 au cours de la régénération de la tête en fonction du niveau d'amputation L'analyse de la régulation temporo-spatiale du gène Wnt3 après décapitation et après bissection migastrique a effectivement montré une surexpression dans les cellules épithéliales du bourgeon, précoce après décapitation (dès une heure), retardée après bissection mi-gastrique, les transcrits étant fortement détectés à partir de trois heures (Hobmayer et al, 2000;Chera et al, 2009;Lengfeld et al, 2009). Cette induction de l'expression du gène Wnt3 correspond au moment où l'activité organisatrice commence à apparaître dans le bourgeon, comme l'ont montré les expériences de transplantation (MacWilliams, 1983;Broun et al, 2005;Lengfeld et al, 2009).…”