1 Genetic mechanisms of Pitx1 action in murine hindlimb development Stephen Nemec, Division of Experimental Medicine, McGill University, Montreal August 2017 A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the degree of PhD © Stephen Nemec 2017 2 Table of Contents Contents Page Abstract 4 Acknowledgements 8 Abbreviations 9 Preface – Contribution to knowledge 10 Contribution of authors 11 Introduction 13 Figures 1 and 2: Basics of limb anatomy and development 13 Evolutionary origins of the limb 14 Chick embryology and the early study of the limb 16 Molecular limb development 21 Hox genes – Engines of limb development 25 The genetics of forelimb vs. hindlimb development 30 Pitx1: major regulator of HL-specific pattern 30 Tbx4 and Tbx5 – limb-type-specific Tbox paralogs 35 Tbx4, Tbx5 and developmental anomalies in humans 41 Pitx1 Tbx4 42 Purpose and Aims 45 Pitx1 directly modulates the core limb development 46 program to implement hindlimb identity Contributions 47 Abstract 48 Introduction 49 Results 51 Discussion 60 Materials and Methods 65 Figure Legends 69 Figures 74 Interlude A – From Sox9 to signaling 89 Shh signaling influences the 91 phenotype of Pitx1-/- hindlimbs Contributions 92 Abstract 93 Introduction 94 Results 96 Discussion 98 Materials and Methods 100 Figure Legends 102 Figures 104 Interlude B – Regulatory complexity and developmental constraints 110 3 Table of Contents (continued) Contents Page Regulatory integration of Hox factor action with 111 Tbox factors in limb development Contributions 112 Abstract 113 Introduction 114 Results 116 Discussion 124 Materials and Methods 128 Figure Legends 134 Figures 141 Discussion 152 Evolutionary constraints determine the 152 developmental roles of limb-type-specific genes Future Directions 156 References 159 4 Abstract In tetrapods, the forelimbs (FL) and hindlimbs (HL) emerge from the flank of the developing embryo as buds of mesenchyme sheathed in ectoderm. Each limb is divided into three segments that develop sequentially along the proximodistal axis: the proximal stylopod, the intermediate zeugopod, and the distal autopod. In the human FL, for example, these segments correspond to the one-bone humerus, the radius and ulna of the forearm, and the five digits of the hand. The musculoskeletal morphologies of FL and HL vary in accordance with the utility of each limb, however, and these differences arise from differences in the genetic programs that drive their development. Pitx1, a transcription factor gene that is expressed exclusively in HL, is necessary for the patterning and development of HL: the genetic and genomic mechanisms by which Pitx1 achieves HL identity are the subject of this thesis. Remarkably, the developmental programs that drive FL vs. HL development are characterized by very few differences, both transcriptionally and in terms of the genome-wide distribution of histone modifications. Pitx1 predominantly binds to putative enhancers that are in a common and active state in both limbs, suggesting that Pitx1 confers HL identity by modulating transcription rather than reconfiguring the genome to deploy a broad, HL-specific developmental program. Further, many of the genes that show Pitx1-dependent expression in HL, notably Sox9, Tbx15, Tbx18, are common elements of the FL program. We propose a model in which Pitx1 establishes HL identity by tweaking this core limb program. In this study, we also show that Pitx1-/- HL are deficient in the expression of several regulators associated with the anterior compartment of the limb, including the 5 anterioposterior (AP) patterning genes Gli3 and Gria2. This result led us to hypothesize that the anterior progenitors in the Pitx1-/- do not develop anterior structures because of an increased proximity to Shh signaling in the posterior of the limb. We studied the limbs of Pitx1-/-;Shh+/- embryos and discovered that decreasing the Shh gene dosage in Pitx1-/- mice decreases the severity of the Pitx1-/- phenotype: femur length is less drastically shortened and strain-sensitive digit one phenotypes are less frequent and severe in Pitx1-/- mice that are heterozygous for Shh. Reducing the dose of Shh does not rescue all Pitx1-directed HL characteristics, however: the knee, for example, remains malformed. Taken together, these studies show that Pitx1 directs the implementation of HL identity by direct TF action on the core limb development program. It is our interpretation that Pitx1 tinkers with the expression of common limb genes to generate, at the local level, the anatomical features that comprise HL identity. Last, we studied the transcriptional mechanisms of Tbx4 and Tbx5, two paralogous Tbox TF genes with expression restricted to the HL and FL, respectively, and with roles in muscle connective tissue patterning. This work revealed a genome- wide preference for these TFs to bind composite DNA motifs containing binding sites for both Tbox and Hox TFs. Studying the interaction of Tbx4/Tbx5 with Hox led to the conclusion that Hox TF action modulates Tbx4/Tbx5 transcriptional activity, a mode of interaction that could have far-reaching developmental consequences in light of the diversity of Hox and Tbox factors and domains of expression. 6 Chez les tétrapodes, les membres antérieurs et postérieurs émergent du flanc de l’embryon en développement de manière à former des bourgeons de mésenchyme entourés d’ectoderme. Chaque membre est divisé en trois segments se développant séquentiellement le long de l’axe proximal-distal : le stylopode en position proximale, le zeugopode en position intermédiaire ainsi que l’autopode situé de manière plus distale. Ainsi sont retrouvés chez les membres antérieurs humains l’humérus, le radius et l’cubitus de l’avant-bras et les cinq doigts de la main, correspondant aux segments susmentionnés. Toutefois, les morphologies musculo-squelettiques des membres antérieurs et postérieurs varient selon l’utilité de chaque membre et ces différences émergent de différences au niveau du programme génétique menant à leur développement. Pitx1, un gène codant pour un facteur de transcription exclusivement exprimé dans le membre postérieur, est nécessaire au modelage et au développement du membre postérieur : les mécanismes génétiques et génomiques à partir desquels Pitx1 mène à l’identité du membre postérieur sont le sujet de cette thèse. De façon remarquable, les programmes développementaux menant à la formation des membres antérieurs et postérieurs sont caractérisés par très peu de différences, et ce, non seulement au niveau transcriptionnel, mais aussi en terme de distribution génomique de modification des histones. Pitx1 lie de manière prédominante des séquences activatrices putatives dont l’état est commun et actif dans les membres à la fois antérieurs et postérieurs. Ceci suggère que Pitx1 confère l’identité d’un membre postérieur en modulant la transcription plutôt qu’en reconfigurant le génome de manière à déployer un programme développemental nouveau et spécifique aux membres postérieurs. De plus, les gènes dont l’expression dépend de Pitx1 dans les 7 membres postérieurs, notamment Sox9, Tbx15 et Tbx18 sont des éléments communs du programme développemental des membres antérieurs. Nous proposons un modèle dans lequel Pitx1 instaure l’identité postérieure des membres en ajustant le programme développemental commun aux deux types de membres. Dans cette étude, nous montrons également que les membres postérieurs d’individus Pitx1-/- présentent une déficience dans l’expression de plusieurs régulateurs associés au compartiment antérieur du membre, ce qui inclut les gènes de modelage antéro-postérieurs Gli3 et Gria2. Ce résultat nous a mené à suggérer que les individus Pitx1-/- ne développent pas de structures antérieures à cause d’une proximité accrue à la signalisation de Shh dans la région postérieure du membre. Nous avons étudié les membres d’embryons Pitx1-/-;Shh+/- et découvert qu’une exposition accrue la signalisation de Shh chez les souris Pitx1-/- mène à la réduction de la longueur du fémur et accentuent des aspects du phénotype Pitx1-/- spécifiques à la lignée, ce qui inclut la perte du premier doigt. Néanmoins, le fait de réduire la dose de Shh ne rétablit pas toutes les caractéristiques du membre postérieur liées à Pitx1: le genou, par exemple, reste malformé. En somme, ces études montrent que Pitx1 dirige l’instauration de l’identité du membre postérieur en agissant comme facteur de transcription directement sur le programme développemental commun aux deux types de membre. Notre interprétation des résultats est que Pitx1 ajuste l’expression de gènes communs aux deux membres pour générer les caractéristiques anatomiques uniques au membre postérieur. Enfin, nous avons étudié les mécanismes transcriptionnels de Tbx4 et Tbx5, deux gènes qui encodent des facteurs de transcription Tbox et dont l’expression est 8 restreinte aux membres postérieurs et antérieurs respectivement, et possédant un rôle dans le modelage des tissus conjonctifs musculaires. Ce travail a révélé, de la part de ces facteurs de transcription, une préférence au niveau génomique pour la liaison de motifs d’ADN composites contenant des sites de liaison pour des facteurs de transcription Tbox et Hox. L’étude des interactions de Tbx4/Tbx5 avec les facteurs Hox a mené à la conclusion suivante : l’action des facteurs de transcription Hox module l’activité transcriptionnelle de Tbx4/Tbx5. Ce mode d’interaction pourrait avoir des conséquences développementales considérables étant donné la diversité des facteurs Hox