Regulatory roots of cranial muscle diversity : developmental origins of muscular resilience

Les muscles squelettiques sont présents dans tout le corps et présentent un niveau surprenant d'hétérogénéité, dans leur susceptibilité aux maladies, potentiel de régénération ou capacités métaboliques. Cette diversité est également retrouvée au cours du développement embryonnaire où les cellules myogéniques et non myogéniques établissent le système musculo-squelettique. La tête et le cou sont constitués d'une grande variété de muscles qui remplissent des fonctions essentielles, mais nous en savons peu sur la biologie des muscles craniofaciaux. Ces structures sont associées à l'émergence de cellules de la crête neurale (CCN) qui donnent naissance à la plupart des tissus non myogéniques crâniens et qui sont cruciales à la formation des muscles. Cependant, certains muscles crâniens sont privés de CCN, et nous ignorons comment les cellules myogéniques et non myogéniques contribuent à ces domaines. Cette thèse fournit des preuves démontrant que les progéniteurs en amont du muscle se détournent du programme myogénique pour donner naissance au tissu conjonctif. Nous avons utilisé une approche de single-cell RNAseq non biaisée et restreinte avec différentes lignées transgéniques de souris à des stades embryonnaires distincts, des marquages in situ et de nouvelles méthodes analytiques, et avons montré que les progéniteurs bipotents issus du mésoderme exprimant le gène de détermination musculaire Myf5 donnent naissance au muscle squelettique et au tissu conjonctif anatomiquement associé dans les muscles partiellement privés de CCN. Cette transition est caractérisée par une complémentarité de signalisation de récepteurs tyrosine kinase entre les cellules musculaires et non musculaires, ainsi que par des modules régulateurs distincts. Les muscles crâniens proviennent également de différentes lignées qui impliquent l'activité de cascades de régulation génique spécifiques. Ici, nous avons utilisé une approche non biaisée et large pour découvrir des modules de régulation spécifiques qui sous-tendent différentes populations de cellules myogéniques dans la tête et à travers plusieurs stades de développement. Certaines de ces « tâches de naissance génétiques » uniques sont des facteurs de transcription spécifiques et sont conservées dans les cellules souches musculaires adultes, ce qui indique que leur importance potentielle est de fournir les propriétés uniques qui ont été signalées pour différentes populations de cellules souches musculaires. Enfin, ces études utilisent des méthodes analytiques inédites qui bénéficient des dernières avancées algorithmiques et offrent de nouvelles perspectives pour la découverte de processus biologiques à partir de données à haut débit.Skeletal muscles are found throughout the body and they display a surprising level of heterogeneity in properties and function. For example, some muscles are specifically susceptible to diseases, and some have better regenerative potential or different metabolic capacities. Diversity is also found during embryonic development where myogenic and non-myogenic cells establish the musculoskeletal system. The head and neck are comprised of a wide variety of muscles that perform essential functions such as feeding, breathing and vocalising, yet little is known about craniofacial muscle biology. Novel structures are associated with the emergence of neural crest cells (NCC) which give rise to most craniofacial connective tissue, cartilage and bone and are crucial for muscle morphogenesis. However, some cranial muscles are deprived of NCC, and it is unclear how myogenic and non-myogenic cells contribute to those domains. This thesis provides evidence demonstrating that upstream progenitors redirect from the myogenic program to give rise to the muscle-associated connective tissue that supports the formation of muscular structures. We employed unbiased and lineage-restricted single-cell RNAseq using different mouse transgenic lines at distinct embryonic stages, in situ labelling, and new analytical methods, and show that bipotent progenitors expressing the muscle determination gene Myf5 give rise to skeletal muscle and anatomically associated connective tissue in distinct muscle groups spatiotemporally. Notably, this property was restricted to muscles with only partial contribution from NCCs suggesting that in their absence, the balance of myogenic and connective tissue cells is undertaken by somite-derived or cranial-derived mesoderm. This transition is characterised by a complementarity of tyrosine kinase receptor signalling between muscle and non-muscle cells, as well as distinct regulatory modules. Cranial muscles also originate from different lineages that involve the activity of specific gene regulatory cascades. Here, we used an all-inclusive unbiased approach to uncover specific regulatory modules that underlie different myogenic cell populations in the head and across multiple developmental stages. Some of these unique “genetic birthmarks” are specific transcription factors, and are retained in adult muscle stem cells pointing to their potential importance is delivering the unique properties that have been reported for different muscle stem cell populations. Finally, these studies employ novel computational methods that benefit from the latest algorithmic advancements and they provide prospects for the discovery of new biological processes from high throughput data