SOX2

4.3.2 SOX2 est un TF de pluripotence clé requis pour le développement de PGC de souris, mais absent de la lignée germinale humaine

SOX2 chez la souris et l’homme appartient à la famille de TFs SOXB1 comprenant SOX1, SOX2 et SOX3 (Pevny & Lovell-Badge, 1997; Schepers et coll., 2002; Uchikawa et coll., 1999). Les FT SOXB1 sont largement impliquées dans le développement du neurectoderme (Uchikawa et al., 1999; Wood & Episkopou, 1999). SOX2 est la seule TF SOXB exprimée dans les embryons avant l’implantation, où elle est initialement localisée dans le cytoplasme du zygote avant de se limiter au noyau chez les embryons de souris 4C-6C (Avilion et al., 2003; Keramari et coll., 2010). L’analyse transcriptomique unicellulaire indique que l’expression de Sox2 était associée aux cellules internes de la morula 16C qui formerait l’ICM (Fig. 1) (Guo et coll., 2010). Dans des embryons humains, l’enrichissement des transcrits SOX2 a été détecté un peu plus tard, dans des morules 8C, probablement un attribut de leur ZGA prolongé (Blakeley et al., 2015).

SOX2 est indispensable au maintien de la pluripotence de mESC et agit en aval d’OCT4 (Masui et al. Il s’agit de l’un des plus grands groupes de l’histoire de la Chine., 2016). Cependant, des études de knockdown dans des CSEH ont suggéré un rôle de régulation de la lignée des FT de pluripotence, où SOX2 inhibait l’identité primitive de type strie promue par OCT4 (Wang, Oron, Nelson, Razis, & Ivanova, 2012). En effet, SOX2 et OCT4 se séparent progressivement et s’associent aux lignées du neuroectoderme et du mésendoderme, respectivement, dans la différenciation des mESCs (Thomson et al., 2011), en accord avec l’état pluripotent amorcé des CSEH (Nichols & Smith, 2009).

Des études d’immunoprécipitation à la chromatine (ChIP) dans des mESCs ont révélé que SOX2 se colocalise avec OCT4 et NANOG sur l’ADN génomique à proximité d’une cohorte de gènes associés à la pluripotence (Chen et al., 2008; Kim, Chu, Shen, Wang, & Orkin, 2008; Loh et al., 2006; Marson et coll., 2008) incluant des gènes impliqués dans l’inactivation du chromosome X tels que Tsix et Rnf12 (Navarro, Moffat, Mullin, & Chambers, 2011; Navarro et al., 2010). La découverte de motifs a permis d’identifier une séquence composite comprenant un site de liaison Octamère et Sox disposé dans une orientation spécifique (appelée motif Oct-Sox) à proximité de nombreux gènes associés à la pluripotence (Chen et al., 2008; Kondoh & Kamachi, 2010; Loh et coll., 2006). Beaucoup de ces marqueurs liés à la pluripotence sont en effet contrôlés par l’activation transcriptionnelle coopérative SOX2 et OCT4 (Ambrosetti, Basilico, & Dailey, 1997; Chew et al., 2005; Kuroda et coll., 2005; Nakatake et coll., 2006; Nishimoto, Fukushima, Okuda, & Muramatsu, 1999; Okumura-Nakanishi, Saito, Niwa, & Ishikawa, 2005; Rodda et al., 2005; Tokuzawa et coll., 2003; Tomioka et coll., 2002; Yuan, Corbi, Basilico, & Dailey, 1995). Cette notion est en grande partie cohérente avec les études sur les puces dans les CSEH (Boyer et al., 2005) qui présentent plus de similitude avec les mEpiSCs que les MESC (Matsuda et al., 2017). Ces observations indiquent que la fonction régulatrice de base de SOX2 chez la souris et la pluripotence humaine est largement comparable.

Le domaine HMG de SOX2, comme SOX17, se lie au sillon mineur de l’ADN avec la séquence consensus 5′- (A/T) (A/T) CAAAG-3′ (Bowles et al., 2000). L’observation selon laquelle les TF SOXB1 et SOXF se lient à des séquences de motifs assez similaires indique que les TF SOX en général se lient de manière non spécifique à un motif SOX plutôt générique et que leurs fonctions sont largement conférées par des interactions avec des facteurs spécifiques aux tissus (Kondoh & Kamachi, 2010). Le domaine C-terminal de SOX2 contient une région riche en sérine dans un domaine de transactivation (Ambrosetti, Schöler, Dailey, & Basilico, 2000; Nowling, Johnson, Wiebe, & Rizzino, 2000). Cette région riche en sérine comprend un motif à triple répétition qui est crucial pour l’interaction physique directe avec le NANOG dans les mESCs (Gagliardi et al., 2013). Le domaine HMG lui-même interagit avec le domaine POU-spécifique (POU) d’OCT4 sur l’ADN où l’interface d’interaction implique cinq résidus d’acides aminés sur HMG (Fig. 2) (Ambrosetti et coll., 1997; Chambers & Tomlinson, 2009; Reményi et al., 2003; Williams et coll., 2004)

Fig. 2. L’interface d’interaction OCT4 dans les domaines HMG SOX2 et SOX17. Les résidus surlignés en rouge/noir font partie des résidus en interaction avec l’OCT4 prédits par les études structurales (Reményi et al., 2003; Williams, Cai, & amp; Clore, 2004) qui ont montré qu’ils changeaient de fonction s’ils étaient échangés (Jauch et al., 2011). Les résidus surlignés en bleu ont été décrits pour changer la liaison SOX2 en motif Oct-Sox comprimé (Merino et al., 2014; Palasingam et coll., 2009). Des résidus surlignés en vert ont également été décrits dans Reményi et al. (2003) et Williams et coll. (2004). Les astérisques désignent des résidus identiques; la conservation des résidus entre les groupes de similitude forte et faible dans les propriétés chimiques est marquée par deux points (:) et la période (.), respectivement. Les résidus comprenant les trois hélices alpha sont indiqués dans des cases.

Le mode d’interaction OCT4-SOX2 sur l’ADN a été classiquement considéré comme par étapes, où la liaison de SOX2 au motif Oct-Sox stabilise la conformation liée à l’ADN d’OCT4 (Chambers & Tomlinson, 2009). Des études récentes surveillant la dynamique d’une molécule unique de SOX2 sur la chromatine ont rapporté un mécanisme impliquant une activité initiale du génome de SOX2 avant de s’attarder sur un motif cible qui semble plus important dans l’assemblage du complexe protéique OCT4-SOX2 (Chen et al., 2014). Cette observation de l’engagement indépendant du génome a indiqué que les TF SOX possèdent une activité pionnière consistant à établir un complexe transcriptionnel pour la régulation des gènes cibles (Hou, Srivastava, & Jauch, 2017).

Basé sur des tests de déplacement de mobilité électrophorétique (EMSA), SOX2 ne peut pas se lier de manière coopérative avec OCT4 sur des motifs Oct-Sox « compressés » contrairement à SOX17, où la distance entre l’Octamère et le site de liaison Sox est réduite par rapport aux motifs « canoniques », peut-être en raison d’un obstacle stérique (Jauch et al., 2011). Cette exclusivité peut être importante pour la redistribution partielle de l’OCT4 entre les motifs canoniques et compressés pendant l’engagement de la lignée (Aksoy et al., 2013). En accord avec cette notion, une seule mutation ponctuelle Glu122Lys dans le domaine HMG SOX17 (SOX17EK), qui fait partie de l’interface d’interaction avec OCT4 (Fig. 2), ont converti le TF mutant pour qu’il fonctionne comme SOX2 en soutenant l’acquisition de la pluripotence induite (Jauch et al., 2011; Palasingam et coll., 2009; Reményi et coll., 2003; Williams et coll., 2004). En effet, SOX17EK a montré une liaison coopérative avec OCT4 sur le motif canonique Oct-Sox (Aksoy et al., 2013; Jauch et coll., 2011). De manière cohérente, un mutant réciproque SOX2KE (Lys59Glu) a adopté l’endoderme spécifiant l’activité de SOX17 lorsqu’il est surexprimé dans les mESCs (Jauch et al., 2011), qui lors d’une autre mutation (Glu46Leu) a abouti à une liaison coopérative efficace au motif compressé avec OCT4 (Merino et al., 2014). Étant donné que les domaines HMG de SOX2 et SOX17 sont essentiellement identiques entre la souris et l’homme (Fig. 2), la pertinence fonctionnelle de ces mutants dans les cellules humaines reste à tester.

SOX2 joue également un rôle de premier plan dans le développement des lignées germinales de souris. SOX2 est transitoirement réprimé dans les MPGCS BLIMP1+ dans les embryons de stade de fin de série (LS) E7.25, mais ré-exprimé peu de temps après (Campolo et al., 2013; Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Scholer, Dressler, Rohdewohid, & Gruss, 1990; Yabuta et al., 2006). Par la suite, le niveau d’expression de SOX2 commence à diminuer dans les PGC gonadiques fœtales de E13,5 à 17,5 (Campolo et al., 2013). La ré-expression de SOX2 dépend de la présence de Prdm14, ce qui indique que l’activation de Sox2 est en aval de l’activité de PRDM14 (Yamaji et al., 2008). En utilisant une combinaison de lignes de souris exprimant le Cre, suppression de Sox2 dès E7.25-7.5 l’utilisation de Blimp1-Cre a entraîné la réduction des mPGCs STELLA + dans la région postérieure proximale des embryons au stade de bourgeon E7.5 (Campolo et al., 2013). Ces embryons ont en outre montré une absence totale de cellules germinales dans les gonades mâles et femelles des embryons E13.5. Cependant, SOX2 n’a pas de rôle inductif dans la spécification mPGC, car la surexpression forcée de SOX2 abroge la spécification mPGCLC même lorsque NANOG est co-surexprimée (Murakami et al., 2016), indiquant que la fonction inductive somatique (probablement neuronale) de SOX2 dans les mEpiLCs est dominante (Corsinotti et al., 2017; Zhao, Nichols, Smith, & Li, 2004) et suggère en outre que la fenêtre transitoire de la répression SOX2 lors de la spécification mPGC peut être importante pour sauvegarder le devenir du PGC (Kurimoto, Yabuta, et al., 2008; Yabuta et coll., 2006). Néanmoins, la délétion de Sox2 entre E9.0 et 10.5 par TNAP-Cre a entraîné une déplétion complète de l’ovocyte et de la pro-spermatogonie dans les ovaires prépubères et les testicules périnataux. Aucun effet sur les spermatocytes et les ovocytes méiotiques n’a été observé lorsque Sox2 a été supprimé à l’aide de Spo11-Cre exprimé dans les cellules germinales méiotiques. Ces observations indiquent que SOX2 est nécessaire à la survie de la mPGC à travers une gamme de stades de développement de la mPGC jusqu’à la méiose (Campolo et al., 2013). Puisque OCT4 et NANOG sont co-exprimés avec SOX2 dans des MPGC spécifiées (Kurimoto, Yabuta et al., 2008; Yabuta et coll., 2006), il n’est pas clair si le rôle de SOX2 dans les MPGC préméiotiques implique des interactions coopératives avec OCT4 et NANOG ou des fonctions distinctes. En tout cas, puisque SOX2 n’est pas exprimé en hPGCs (Irie et al., 2015; Perrett et coll., 2008), il est peu probable que des fonctions de régulation de SOX2 existent dans la lignée germinale humaine.