Mécanismes contrôlant la colonisation microgliale du cerveau antérieur

Mechanisms controlling microglial colonization of the forebrain

• Auteur / Autrice : Cécile Bridlance
• Direction : Sonia Garel, Morgane Thion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Layé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Desmazières, Mélanie Greter
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Layé, Rosa Paolicelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie du développement

Récepteurs cellulaires

Système nerveux central

Cortex cérébral

Microglie

Mots clés libres

Microglie

Prolifération

CSF-1

Développement

Microglia

Proliferation

CSF-1

Development

Résumé

Les microglies, les macrophages résidents du cerveau, jouent un rôle essentiel dans le développement, le fonctionnement et l'homéostasie cérébrale. Issues de progéniteurs érythromyéloïdes du sac vitellin, elles colonisent le système nerveux central au début de l'embryogenèse, où elles prolifèrent ensuite, se répartissent et puis s'autorenouvellent tout au long de la vie. La voie de signalisation du récepteur CSF-1 (CSF-1R) est essentielle pour la survie et la prolifération des microglies, et ses deux ligands, les cytokines CSF-1 et IL-34, sont produites par l’environnement neural. Au cours du développement, outre une remarquable hétérogénéité cellulaire et transcriptionnelle des microglies, leur distribution dans le cerveau suit un schéma spatio-temporel stéréotypé. Par exemple, des microglies d’un sous-type particulier, appelées microglies associées à des faisceaux d’axones (ATM), forment des hotspots transitoires - une caractéristique conservée à travers espèces. Ces spécificités de colonisation et l’hétérogénéité microgliale ont été associées à des fonctions développementales des microglies. Néanmoins, leur régulation ainsi que la contribution des neurones et d’autres sources de CSF-1, restent encore largement inexplorées. Nous avons effectué une analyse détaillée de la prolifération et distribution des microglies dans le cerveau antérieur murin, et étudié comment cela pouvait être régulée par l'environnement neural, soit par l'activité neuronale ou l’expression de CSF-1. Nous avons mis en évidence deux vagues de prolifération microgliale : une première phase globale et intense pendant l’embryogenèse, et une seconde phase postnatale plus hétérogène. De plus, nous avons montré que les microglies des points d’accumulation sont particulièrement prolifératives. En utilisant l'imagerie à deux photons sur des tranches aiguës de cerveau, nous avons confirmé une prolifération et redistribution locale, mais n'avons trouvé aucune preuve de migration à longue distance. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent que la prolifération est un moteur important de la colonisation microgliale et contribue à son schéma hétérogène. En nous concentrant sur le cortex cérébral, nous avons d'abord testé le rôle de l'activité neuronale, connue pour être surveillée par les microglies, lorsqu’elle émerge, pendant la seconde vague de prolifération. Nous avons constaté que différentes perturbations de l'activité neuronale n'avaient pas d’effet fort sur le nombre et la distribution des microglies. Ensuite, nous avons examiné les rôles de CSF-1 grâce à des inactivation conditionnelles dans des populations neurales spécifiques. Nous avons montré que CSF-1 issu des progéniteurs et neurones était essentiel pour la colonisation microgliale embryonnaire : son inactivation dans le cortex entraine une déplétion drastique des microglies dans l’embryogenèse, sans affecter les macrophages des méninges. Plus précisément, CSF-1 a une action dose-dépendante, extrêmement locale et transitoire. En parallèle, nous avons montré que les ATM des hotspots exprimaient Csf-1. Grâce à des mutants conditionnels, nous avons révélé que la production autocrine de CSF-1 contribuait à la prolifération soutenue des ATM, mettant en évidence une contribution duale du CSF-1 neural et CSF-1 microglial dans la régulation de leur distribution au cours du développement. De plus, j’ai participé à la description d’une nouvelle fonction microgliale, associée aux ATM, assurant le maintien de l’intégrité tissulaire au hotspots embryonnaire. De façon plus large, notre étude met en lumière la façon dont les microglies prolifèrent et se distribuent dans le cerveau, ainsi que leur dépendance focale au CSF-1. De plus, notre mutant conditionnel dans le cortex fournit un modèle novateur pour étudier les rôles locaux et spécifiques des microglies pendant le développement prénatal et ouvre la voie à une analyse plus approfondie des contributions relatives des ligands de CSF-1R.

Microglia are the central nervous system resident macrophages and the main immune sentinels of the brain. Beyond their immune functions, they play key roles in cerebral development and functioning. These immigrants derive from erythromyeloid progenitors generated in the yolk sac and colonize the brain during early embryogenesis. They further proliferate in situ, distribute within the brain parenchyma and self-renew throughout life. The CSF-1 receptor (CSF-1R) pathway regulates microglial survival and proliferation from embryogenesis up to adulthood, with its two ligands, the cytokines CSF-1 and IL-34, produced by the neural environment. During development, along with a remarkable cellular and transcriptional heterogeneity, microglial distribution follows a stereotypical spatiotemporal pattern. For instance, microglia of a specific subset, called axon-tract associated microglia (ATM), form transient and specific accumulations, or hotspots - a feature conserved across mammalian species. Such pattern of colonization and associated microglial heterogeneity have been linked to specific developmental functions. Yet, how early microglial distribution and heterogeneity are regulated, the potential contributions of neurons and of distinct cellular sources of CSF-1, remain largely to be investigated. Here, we tackled these issues by performing a detailed analysis of microglial proliferation and distribution during mouse forebrain development, and examining how the neural environment may regulate this pattern, either through neuronal activity or CSF-1 expression. We first highlighted the existence of two waves of microglial proliferation: a first global and intense phase during mid-embryogenesis, and a second postnatal phase which intensity and timing vary across forebrain regions. In addition, we found that some transient developmental hotspots of microglia were particularly proliferative. Using two-photon live-imaging on acute brain slices, we confirmed local proliferation and redistribution, but found no evidence of long-range migration. Collectively, our findings indicate that proliferation is an important driver of microglial colonization and contributes to its heterogeneous pattern. Focusing on the cerebral cortex, we first tested during this second wave of proliferation the role of neuronal activity, which emerges at these developmental stages and is known to be monitored by microglia. We found that different perturbations of neuronal activity had no broad effect on microglial numbers and distribution. Next, we examined the roles of CSF-1, using conditional mutants in specific neural populations. Through distinct cre drivers, we showed that CSF-1 from both cortical progenitors and neurons is required for microglial embryonic colonization. More specifically, CSF-1 acts in a dose-dependent manner and has a remarkably local effect, without severely affecting macrophages in the meninges. Consistently, Csf-1 cortical inactivation leads to a drastic absence of microglia only during embryogenesis, supporting a later role of IL-34 as previously reported. In parallel, we examined ATM in the hotspots and observed that they express Csf-1. Using conditional mutants, we revealed that autocrine CSF-1 production by ATM contributes to their proliferation in hotspots. Our findings thus highlight a dual contribution of local neural CSF-1 and microglial CSF-1 in regulating their early developmental distribution. In parallel, I participated in describing a novel function of microglia in the maintenance of tissue integrity at the embryonic ATM hotspot. Altogether, our study sheds light on how microglia proliferate and distribute to colonize the brain as well as on their focal and cell-type dependency on CSF-1. In addition, our conditional cortical mutants provide a groundbreaking tool to study the local and specific roles of microglia during prenatal development and opens the path to further dissect the relative contributions of CSF-1R ligands.