Mécanismes de spécification des cellules gliales dans la niche neurogénique mammifère par des régulateurs de la réplication de l'ADN

Mechanisms of glial cell specification in the mammalian neurogenic niche by DNA replication regulators

• Auteur / Autrice : Gonzalo Ortiz Álvarez
• Direction : Nathalie Spassky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : José Arturo Londoño Vallejo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Spassky, José Arturo Londoño Vallejo, Isabel Fariñas, Laure Bally-Cuif, Travis Stracker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabel Fariñas, Laure Bally-Cuif

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Mots clés libres

Cellule ependymaire multiciliée

Cellule souche neurale

Analyse clonale

Stress réplicatif

Famille Geminine

Télomère

Multiciliated ependymal cell

Neural stem cell

Clonal analysis

Replicative stress

Geminin family

Telomere

Résumé

Le cerveau adulte des souris conserve une capacité à produire de nouveaux neurones tout au long de la vie, à partir de niches neurogéniques. Une d’entre elles est localisée dans la zone sous-ventriculaire et est composée de deux types de cellules gliales : les astrocytes (cellules souches neurales) et les cellules épendymaires multiciliées. Celles-ci sont des cellules fortement spécialisées qui présentent un groupe apical de centrioles à la base des cils motiles, dont le battement coordonné est à l’origine de fonctions indispensables pour la neurogenèse adulte, en particulier et l’homéostase du cerveau, de façon générale. Parmi ces fonctions essentielles, la circulation du liquide céphalorachidien pour support trophique, l’enlèvement des déchets ou guider la migration des neurones sont d’une grande importance. Donc, la compréhension des procès qui établissent la niche neurogénique est d’une grande valeur pour aborder quelques maladies du cerveau d’entre les plus sévères, comme l’hydrocéphalie, les affections neurodégénératives ou même les tumeurs engendrées dans les régions germinales. Mon travail de recherche doctorale a consisté à utiliser une technique de suivi du destin cellulaire et à déterminer que les progéniteurs épendymaires ne migrent pas. Cette connaissance était nécessaire pour l’utilisation de techniques de pointe d’analyse clonal. Alors, l’analyse à haute résolution d’un grand nombre de clones de la niche neurogénique visualisés avec la technique Brainbow, ainsi que la résolution au niveau cellulaire des modes de division des progéniteurs épendymaires, en utilisant les animaux transgéniques Mosaic Analysis with Double Markers, nous a révélé que : (i) les cellules épendymaires et les cellules souches neurales adultes appartiennent à un même lignage, (ii) elles sont nées via des divisions symétriques ou asymétriques, (iii) leur destin est modulé par des facteurs de la réplication de l’ADN, Geminin et GemC1, qui favorisent le destin souche ou épendymaire, respectivement. Nous avons ensuite élucidé les mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels GemC1 déclenche le destin épendymaire. Cette protéine, initialement décrite comme un facteur de promotion de la réplication de l’ADN, génère un phénotype d’arrêt de cycle en même temps que l’amplification centriolaire. Les progéniteurs épendymaires qui expriment GemC1 pausent leur cycle et inhibent ainsi leur entrée en mitose. Lors de la recherche d’un mécanisme qui pourrait déclencher cet arrêt, nous avons décrit comment GemC1 génère l’expression simultanée de gènes d’amplification centriolaire et croissance ciliaire, de progression et arrêt de cycle, et aussi un stress réplicatif mais, étonnamment, tout ça uniquement dans des cellules cyclantes. La présence de ce stress se traduit dans une plus haute fréquence de télomères dysfonctionnels, c’est-à-dire, des télomères colocalisés avec des signaux de dommage à l’ADN. De plus, lorsque nous avons surexprimé la télomérase, l’enzyme responsable du maintien de la longueur des télomères, nous avons observé un biais vers le destin de cellule souche adulte. Cela suggère que le dommage aux télomères ou leur protection pourrait être à la source de la différentiation terminal épendymaire ou un destin de cellule souche, respectivement. Ce travail permet de clarifier les mécanismes qui mènent à un destin épendymaire ou de cellules souches, avec des rôles inattendus des acteurs du cycle, les voies de signalisation de dommage cellulaire et la dynamique des télomères, qui sont habituellement associés aux cellules en cycle ou quiescentes, mais rarement à la différentiation.

The adult mouse brain retains a capability to produce new neurons from discrete neurogenic regions throughout life. One of them is localized in the subventricular zone of the lateral ventricle and is composed of two types of glial cells: astrocytes (adult neural stem cells) and multiciliated ependymal cells. The latter are highly specialized cells that present an apical patch of centrioles that nucleate motile cilia, whose coordinated beating is at the root of functions key to adult neurogenesis, in particular, and brain homeostasis in general. Among these, the cerebrospinal fluid circulation for trophic support, waste removal and neuronal migration guidance are of high importance. Therefore, understanding the processes that establish the neurogenic niche composition is of high value to tackle some of the most severe brain malignancies, such as hydrocephalus, neurodegenerative diseases or even tumors generated in the germinal regions. In the present doctoral research, we have used a fate mapping technique to determine that ependymal progenitors do not migrate. This knowledge was necessary to use state-of-the-art clonal analysis techniques. Thus, a high-throughput analysis of large cohorts of neurogenic niche clones visualized with the Brainbow technique, as well as single-cell resolution of the ependymal progenitor division patterns via the Mosaic Analysis with Double Markers transgenic animals, has revealed that: (i) ependymal and adult neural stem cells share a common lineage, (ii) they can both arise through symmetric or asymmetrical cell divisions and (iii) their fate is modulated by DNA replication regulators, Geminin and GemC1, which favor a stem or an ependymal cell fate, respectively. We have consequently elucidated the cellular and molecular mechanisms by which GemC1 triggers an ependymal fate. This protein, initially discovered as being a DNA replicationlicensing factor, generates an arrested cell cycle-like phenotype at the same time that it promotes centriole amplification. Ependymal progenitors that express GemC1 halt their cell cycle and thus inhibit entry into mitosis. Upon looking at the specific mechanisms that could trigger such an arrest, we found that GemC1 generates the simultaneous expression of centriole amplification, ciliary growth, cell cycle progression and arrest genes, as well as the induction of a replicative stress, although strikingly, all this only in cycling cells. The occurrence of such stress translates to a higher presence of telomere dysfunction induced foci, this is, telomeres that co-localize with DNA damage signals. Furthermore, when we over-expressed the telomerase, the enzyme responsible for telomere length maintenance, we observed a bias towards the neural stem cell fate. This suggests that damage to the telomeres or its protection could be at the source of the terminal ependymal differentiation or the stem cell fate, respectively. Together, this work sheds some light into the specific mechanisms that lead to an ependymal fate against the stem cell one, with some unexpected roles of cell cycle actors, damage pathways and telomere dynamics, that are usually associated to cycling or quiescent cells, but rarely to differentiation.