FGF4 is required for lineage restriction and salt-and-pepper distribution of primitive endoderm factors but not their initial expression in the mouse

Abstract

SUMMARYThe emergence of pluripotent epiblast (EPI) and primitive endoderm (PrE) lineages within the inner cell mass (ICM) of the mouse blastocyst involves initial co-expression of lineage-associated markers followed by mutual exclusion and salt-and-pepper distribution of lineage-biased cells. Precisely how EPI and PrE cell fate commitment occurs is not entirely clear; however, previous studies in mice have implicated FGF/ERK signaling in this process. Here, we investigated the phenotype resulting from zygotic and maternal/zygotic inactivation of Fgf4. Fgf4 heterozygous blastocysts exhibited increased numbers of NANOG-positive EPI cells and reduced numbers of GATA6-positive PrE cells, suggesting that FGF signaling is tightly regulated to ensure specification of the appropriate numbers of cells for each lineage. Although the size of the ICM was unaffected in Fgf4 null mutant embryos, it entirely lacked a PrE layer and exclusively comprised NANOG-expressing cells at the time of implantation. An initial period of widespread EPI and PrE marker coexpression was however established even in the absence of FGF4. Thus, Fgf4 mutant embryos initiated the PrE program but exhibited defects in its restriction phase, when lineage bias is acquired. Consistent with this, XEN cells could be derived from Fgf4 mutant embryos in which PrE had been restored and these cells appeared indistinguishable from wild-type cells. Sustained exogenous FGF failed to rescue the mutant phenotype. Instead, depending on concentration, we noted no effect or conversion of all ICM cells to GATA6-positive PrE. We propose that heterogeneities in the availability of FGF produce the salt-and-pepper distribution of lineagebiased cells.

Histone methyltransferase Smyd3 regulates early embryonic lineage commitment in mice

“…In mouse preimplantation embryos, Oct4, Nanog, and Sox2 are required for the maintenance of ICM pluripotency (Nichols et al 1998, Avilion et al 2003, Mitsui et al 2003. Additionally, Nanog is known to negatively interact with Gata6, and both genes are known to be key regulators in the establishment of EPI and PE fates respectively (Morris et al 2010, Frankenberg et al 2011, Kang et al 2013, Schrode et al 2014. Nanog-deficient mouse embryos are arrested during post-implantation development because of the widespread expression of Gata6 in the EPI (Mitsui et al 2003, Frankenberg et al 2011.…”

Spécification de l’épiblaste et de l’endoderme primitif lors du développement embryonnaire préimplantatoire chez la souris

“…Pour rappel, la culture d'embryons sauvages en présence de FGF4 entraîne l'expression des marqueurs EPr et l'inhibition de NANOG dans toutes les cellules de la MCI jusqu'à des stades avancés du développement, autour de E4,0-E4,25 [6]. En revanche, la même expérience sur les embryons Gata6 -/-montre que l'expression de NANOG devient insensible à la signalisation RTK dès le stade E3,25 [12,13]. Cette insensibilité précoce, observée lors de l'analyse des deux mutants, suggère que les expressions de NANOG et GATA6 dépendent de la signalisation FGF/RTK jusqu'au stade E3,25 ; elles deviennent indépendantes par la suite.…”

“…Afin de restaurer l'organisation en « poivre et sel », des cultures en présence de FGF4 exogène ont été réalisées. Une concentration homogène de FGF4 permet de changer l'identité de toutes les cellules de la MCI en EPr, mais elle ne recrée pas le patron en « poivre et sel » [13,14]. L'hétérogénéité du taux de FGF4 est donc un élément clé pour expliquer la spécification cellulaire en Epi et en EPr au sein de la MCI.…”

“…Nous avons postulé que la baisse hétérogène de la concentration de FGF4 extracellulaire pouvait jouer ce rôle. Cette hypothèse s'est vue renforcée par les résul-tats obtenus lors de l'analyse des mutants Fgf4 [13,14]. Néanmoins, tout autre facteur stimulant l'expression de NANOG, y compris la variabilité stochastique des taux cellulaires initiaux (la valeur aléatoire du taux de NANOG dans chaque cellule), pourrait aussi expliquer le déclenchement du mécanisme de spécification de la MCI [15] (➜).…”

From blastocyst to gastrula: gene regulatory networks of embryonic stem cells and early mouse embryogenesis

“…FGF4 secretion by Epi cells regulates the expression of Gata6, Gata4, Sox17 and Sox7 in the PrE, via FGFR2, the GRB2-MAPK pathway and interactions with GATA6 itself [103][104][105]. Accordingly, disruption of FGF4 signalling results in failure of PrE formation [106,107]. Indeed, differential levels of FGF4 and FGFR2 between cells of the ICM are essential for the dynamics of PrE/Epi formation [46,[107][108][109], leading to the mutually exclusive expression of Nanog and Gata6 in the Epi and PrE, respectively [104].…”