Contribution des neuroblastes dérivés de la zone sous ventriculaire à la régénération de la myéline dans le cerveau de souris adulte : impact des propriétés mécaniques des tissus

Contribution of subventricular zone derived neuroblasts to myelin regeneration in the adult mouse brain : impact of tissue mechanical properties

• Auteur / Autrice : Marie Falque
• Direction : Pascale Durbec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la vie et de la santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biologie du Développement de Marseille (IBDM)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Durbec, Elisabeth Traiffort, Carlos Parras, Karine Loulier, Elsa Bazellières, Karine Magalon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Traiffort, Carlos Parras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corps calleux

Microscopie à force atomique

Oligodendrocytes

Gaine de myéline

Souris

Système nerveux central

Mots clés libres

Système nerveux central

Remyélinisation

Reprogrammation

Migration

Rigidité

Souris

Central nervous system

Myelin repair

Cell reprogramming

Cell migration

Stiffness

Mouse

Résumé

La gaine de myéline, produite par les oligodendrocytes dans le système nerveux central, est un élément essentiel au bon fonctionnement du système nerveux et permet notamment d'augmenter la vitesse de conduction de l'influx nerveux. La démyélinisation, c'est-à-dire la perte de la myéline, se produit dans divers contextes pathologiques, comme c'est la cas dans la sclérose en plaques. La régénération spontanée de la myéline est observée chez les patients atteints de sclérose en plaques mais elle est très aléatoire et n'est pas assez efficace pour permettre une véritable guérison. Après une lésion de la myéline dans le cerveau adulte de rongeurs, un processus d'auto-réparation est observé. Il est possible grâce à la formation de nouveaux oligodendrocytes myélinisants provenant de deux sources distinctes : de progéniteurs disséminés dans le parenchyme cérébral et des cellules souches situées dans la zone sous-ventriculaire.Dans des conditions physiologiques, les cellules souches génèrent principalement des neuroblastes et une faible proportion de progéniteurs d'oligodendrocytes. Les neuroblastes migrent le long de la voie de migration rostrale en adoptant un mode de migration collectif ('' en chaîne '') pour intégrer le bulbe olfactif et se différencier en interneurones. Dans de nombreuses conditions lésionnelles du cerveau, et en particulier à la suite d'une démyélinisation chez la souris, certains neuroblastes quittent leur voie de migration et migrent de manière ectopique vers la lésion sous forme de cellules isolées. Ce changement de comportement migratoire est associé à un changement de destin des neuroblastes, qui génèrent des oligodendrocytes et participent à la réparation de la myéline.Nos études ont montré que ce changement de destin se produit directement, en formant un état cellulaire transitoire coexprimant les marqueurs des identités neuronale et oligodendrocytaire. En utilisant une analyse transcriptomique, nous avons décrit de façon détaillée cette reprogrammation. Elle nécessite la régulation de plusieurs processus clefs, y compris des programmes transcriptionnels de détermination du lignage et de la migration cellulaire. Nous avons également démontré un contrôle étroit des facteurs impliqués dans la modification de la matrice extracellulaire, suggérant un rôle essentiel de l'environnement dans ce processus. Il a été montré que la rigidité des tissus joue un rôle important dans le contrôle de la migration durant le développement et la régénération. De plus, plusieurs données rapportent que la différenciation des oligodendrocytes est influencée par les forces mécaniques. Dans ce contexte, nous avons examiné si une modification des propriétés mécaniques, c'est-à-dire de la rigidité des tissus, peut contrôler le comportement des neuroblastes.Nous avons démontré que la modification des propriétés mécaniques de la matrice in vitro influence le mode de migration des neuroblastes, d'une migration collective (chaînes) à une migration sous forme de cellules isolées, et qu'une matrice souple favorise la reprogrammation des neuroblastes en oligodendrocytes. Grâce à des expériences de microscopie à force atomique sur des tranches fraiches de cerveau, nous avons évalué les propriétés mécaniques du tissu cérébral au cours du développement et dans différents modèles lésionnels (démyélinisation versus un modèle d'ischémie non démyélinisant). Grâce à ce système ex vivo, nous avons montré que ces deux types de lésions entraînent des modifications différentes des propriétés mécaniques du corps calleux, et que la rigidité des tissus est corrélée à la quantité de myéline dans les structures. Enfin, nous avons démontré que l'efficacité de la reprogrammation in vivo est dépendante du type de lésion. Dans l'ensemble, nos travaux suggèrent que les propriétés mécaniques régulent le mode de migration des neuroblastes et leur reprogrammation en oligodendrocytes, et sont donc des éléments clefs des processus de régénération du cerveau.

The myelin sheath, produced by oligodendrocytes in the central nervous system, is an essential element for the proper functioning of the nervous system, particularly by increasing the speed of nerve impulse conduction. Demyelination, i.e. the loss of myelin, occurs in various pathological contexts, as in multiple sclerosis. Spontaneous myelin repair is observed in multiple sclerosis patients, but this process is not sufficiently effective for a complete remyelination to occur. Following myelin damage in the adult rodent brain, a self-repair process is observed via the formation of new myelinating oligodendrocytes. They arise from two sources: progenitors disseminated in the brain parenchyma and stem cells in the subventricular zone.Under physiological conditions, stem cells mainly generate neuroblasts and oligodendrocyte progenitors, representing only a small proportion of the cells produced. Neuroblasts migrate along the rostral migratory stream adopting a collective migration mode (“in chains”) to integrate the olfactory bulb and differentiate into interneurons. Under demyelinating conditions in mice, some neuroblasts leave their migration path and migrate ectopically toward the lesion as isolated cells. This change in migratory behavior is associated with neuroblasts reprogramming, which generate oligodendrocytes and participate in myelin repair.Our studies have shown that this cell fate change proceeds directly, forming a transient cellular state co-expressing markers of both neuronal and oligodendrocytic identities. Using transcriptomic analysis, we described this fate reprogramming in detail. It requires the regulation of several key processes, including fate determination transcriptional programs and cell migration. We have also demonstrated a tight control of factors involved in extracellular matrix modification, suggesting an essential role for the environment surrounding the cell in this process. Tissue stiffness is known to have a significant role in guiding migration during developmental and regenerative processes. In addition, there are several reports that mechanical forces impact oligodendrocytes differentiation. In this context, we asked whether a change in mechanical properties, i.e. tissue stiffness, might control neuroblast behavior.We demonstrated that modifying matrix mechanical properties in vitro influences the migration mode of neuroblasts, from collective (chain migration) to isolated cells. In this context, soft matrix also promotes neuroblasts reprogramming into oligodendrocytes. With atomic force microscopy experiments on fresh brain slices, we evaluated the mechanical properties of brain tissue during development and in different injury models (demyelination versus non-demyelinating ischemia model). Using this ex vivo system, we showed that various lesions had different effects on corpus callosum mechanical properties, and that stiffness correlated with myelin content in brain structures. Finally, we have shown that the efficiency of neuroblast cell fate change in vivo depends on the lesion type and is favor in demyelinating lesion. Overall, our work suggests that the mechanical properties of the environment regulate neuroblasts migration mode and reprogramming into oligodendrocytes. They are therefore a key element of brain regeneration processes.