Étude du rôle de la protéine précurseur amyloïde humaine (APP) au cours de la neurogenèse corticale humaine

Studying the role of human Amyloid Precursor Protein (APP) during human cortical neurogenesis

• Auteur / Autrice : Khadijeh Shabani Miankoushki
• Direction : Bassem A. Hassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 24/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Pierani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabel Liste Noya, François Guillemot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessandra Pierani, Laure Bally-Cuif

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement neurologique

Cellules gliales

Protéine tau

Protéine amyloïde bêta

Néocortex

Mots clés libres

APP

Cortex humain

Différentiation

Développement

Voie de signalisation WNT

Voie de signalisation JNK

APP

Human cortex developement

Differentiation

Résumé

Le néocortex est la partie hautement élaborée du cerveau humain qui est responsable d'un comportement cognitif complexe. Au cours de l'embryogenèse, les cellules progénitrices neurales corticales humaines (PNJ) génèrent initialement des neurones à un rythme particulièrement lent tout en préservant leur état progéniteur pendant une période relativement longue, contribuant en partie à l'augmentation de la taille corticale humaine. La protéine précurseur amyloïde (APP), qui est responsable des formes génétiques de la maladie d'Alzheimer, est fortement exprimée dans les premiers jours embryonnaires dans les neurosphères télencéphaliques humaines, avec la différenciation, la migration et la maturation des neurones corticaux. Cependant, le rôle de l'APP dans le développement du contexte humain est totalement inexploré. L'introduction générale de cette thèse résume les découvertes précédentes sur la neurogenèse corticale et l'implication de l'APP dans divers aspects de la neurobiologie avec un accent sur le développement du cortex humain. Nous avons émis l'hypothèse que l'APP pourrait jouer un rôle dans le développement du cortex humain et ce projet décrit une stratégie pour dévoiler les fonctions physiologiques de l'APP humaine au cours du développement cortical. Nous avons utilisé des cellules souches pluripotentes induites par l'homme comme modèle. Nous avons produit une application iPSC knock-out dans deux milieux génétiques différents et étudié la neurogenèse corticale en 2D et 3D. Nous avons constaté que la perte de l'APP provoque une différenciation prématurée spécifiquement chez les progéniteurs corticaux humains, mais le timing relativement lent de la maturation neuronale semble préservé. En revanche, nous n'avons trouvé aucun effet sur les progéniteurs corticaux de souris et le taux de génération de neurones moteurs spinaux humains. Mécanistiquement, la perte de la cellule APP déclenche de manière autonome la conversion des PNJ corticaux à un état neurogène par la répression de la voie canonique Wnt et la régulation à la hausse et l'activation de AP1 (Jun et Fos), les gènes de réponse au stress bien connus. AP1 active les protéines proneurales en aval, comme la neurogénine2 et le lymphome 6 à cellules B (Bcl6), induisant ainsi les progéniteurs neuraux à sortir du cycle cellulaire et à se différencier prématurément. Ces phénotypes peuvent être complètement sauvés soit en restaurant l'APP, soit en ajoutant du Wnt3a exogène pour restaurer la prolifération des NPC et en inhibant l'activité AP1 pour inhiber la différenciation prématurée. En résumé, ce projet révèle un rôle spécifique du cortex humain pour l'APP dans la régulation de la neurogenèse et identifie la régulation du stress cellulaire comme un mécanisme intrinsèque potentiel pour le maintien prolongé du destin des progéniteurs corticaux humains.

The neocortex is the highly elaborate part of the human brain which is responsible for complex cognitive behavior. During embryogenesis, human cortical neural progenitor cells (NPCs) initially generate neurons at a particularly slow rate while preserving their progenitor state for a relatively long time, in part contributing to increased human cortical size. The Amyloid Precursor Protein (APP), which is responsible for genetic forms of Alzheimer’s disease, is highly expressed in early embryonic days in human telencephalic neurospheres, along with differentiation, migration and maturation of cortical neurons. However, the role of APP in human context development is completely unexplored. The general introduction of this thesis summarizes previous findings on cortical neurogenesis and the implication of APP in various aspect of neurobiology with a focus on human cortex development. We hypothesized APP may have a role in the development of human cortex and this project outlines a strategy to unveil the physiological functions of human APP during cortical development. We used human induced pluripotent stem cells as a model. We produced APP knock-out iPSC in two different genetic backgrounds and studied cortical neurogenesis in 2D and 3D. We found that loss of APP causes premature differentiation specifically in human cortical progenitors, but the relatively slow timing of neuronal maturation appears preserved. In contrast, we found no effect on mouse cortical progenitors and the rate of human spinal motor neuron generation. Mechanistically, loss of APP cell-autonomously triggers conversion of cortical NPCs to a neurogenic state through repression of the canonical Wnt pathway and upregulation and activation of AP1 (Jun and Fos), the well-known stress response genes. AP1 activates downstream proneural proteins, like Neurogenin2 and B-cell lymphoma 6 (Bcl6) thus inducing neural progenitors to exit the cell cycle and prematurely differentiate. These phenotypes can be fully rescued either by restoring APP, or by adding exogenous Wnt3a to restore NPC proliferation and inhibiting AP1 activity to inhibit premature differentiation. In summary, this project reveals a human cortex specific role for APP in regulating neurogenesis and identifies the regulation of cellular stress as a potential intrinsic mechanism for prolonged maintenance of human cortical progenitor fate.