Role of the Neural Crest-derived Meninges and Pericytes in Cognitive Impairment at Birth

Rôle des Méninges et des Péricytes dérivés de la Crête Neurale dans les Altérations Cognitives à la Naissance

• Auteur / Autrice : Emmanuel Bruet
• Direction : Sophie Creuzet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 19/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Loup Duband
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Loup Duband, Heather Etchevers, Farida Djouad, Christelle Golzio, Éric Bellefroid, Salvador Martinez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Heather Etchevers, Farida Djouad

Mots clés

Mots clés contrôlés

vascularisation

Comportement animal

Crête neurale

Méninges

Cerveau

Mots clés libres

Comportement

Cerveau

Vascularisation

Méninges

Crête Neurale

Behavior

Brain

Vascularization

Meninges

Neural Crest

Résumé

La crête neurale (CN) est une population de cellules multipotentes issues du neurectoderme, à la neurulation, à l'origine de nombreux lignages. Au niveau céphalique, la CN céphalique (CNC) forme les péricytes qui composent les méninges et le stroma des plexus choroïdes (PC) du cerveau antérieur. Les travaux antérieurs de l'équipe ont montré que l'absence de CNC coïncide avec des anomalies cérébrales, consistant en une anencéphalie sévère et une absence de PC. De plus, certains gènes liés chez l'homme à des syndromes neurodéveloppementaux sont soit régulés précocement par la CNC, soit exprimés par les méninges dérivées de la CNC.Nous avons exploré le lien entre les altérations de méninges et les troubles du comportement à la naissance, et posé l'hypothèse que la CNC contrôle l'homéostasie et l'immunité intra-cérébrale du cerveau antérieur. Pour explorer ces questions, nous utilisons l'embryon de poulet comme modèle : nous avons mis au point un ensemble de tests comportementaux reposant sur le réflexe de ''l'empreinte filiale''. Grace à l'accessibilité de l'embryon aviaire à tous les stades de développement, des expériences de micro-injection ont été réalisées et analysées par immunohistochimie sur des coupes histologiques, et sur cerveaux entiers clarifiés, en utilisant la microscopie à feuillets de lumière. Un profil transcriptomique a également été réalisé sur des méninges et des péricytes, cultivés in vitro.Lorsque des embryons de poussins sont traités au VPA, un anticonvulsivant connu pour provoquer des troubles cognitifs de type autistiques, ils présentent des altérations sévères de leurs interactions sociales après la naissance et une hypervascularisation dans le cerveau. De plus, nous montrons l'implication de cellules dérivées de la CNC dans la veille immunitaire du cerveau en développement : ces cellules sont capables d'intercepter des agents pathogènes, et confèrent un privilège immunitaire au cerveau. Nos analyses fonctionnelles révèlent que les péricytes dérivés de la CNC sont des cellules immunitaires professionnelles qui expriment des récepteurs immunitaires et des molécules inflammatoires. Une dérégulation de cette fonction immunitaire par le VPA entraine des effets néfastes sur l'élaboration des fonctions cognitives. De plus, nous montrons que les cellules périvasculaires sont capables de former des pièges d'ADN qui peuvent s'avérer nocifs en provoquant une réaction inflammatoire incoercible. Les péricytes entrant en contact avec le VPA génèrent une décondensation de leur ADN qui se retrouve en grande proportion dans le cytoplasme. Des filaments d'ADN sont aussi observés dans le compartiment extracellulaire. Le VPA tend également à empêcher la migration des péricytes, conduisant à des cellules coopérantes qui produisent des cytokines et aident les cellules affectées par le VPA.L'utilisation d'un médicament antiangiogénique, le Sunitinib (Suni) permet un sauvetage significatif du comportement social, de l'hypervascularisation dans le cerveau, et de la fonction immunitaire des cellules méningées.En révélant que ces cellules sont dotées de capacités macrophagiques, et capable de phagocyter des agents pathogènes, nous montrons l'implication des péricytes comme cellules immunocompétentes dans la surveillance immunitaire du cerveau en développement. Nos travaux introduisent un nouvel acteur cellulaire, les cellules périvasculaires dérivées de la CNC, dans la défense du cerveau contre les intrusions pathogènes. Comprendre ces mécanismes présente des implications biomédicales qui revêtent une importance toute particulière pour éclairer l'origine de troubles du comportement, considérés jusqu'à présent comme « cerveau autonome » mais dont nous montrons qu'ils peuvent impliquer des cellules méningées défectueuses.

The neural crest is an embryonic multipotent cell population deriving from the neurectoderm during the neurulation. These cells migrate to colonize the embryonic body and generate different lineages. More specifically in the cephalic region, cephalic neural crest (CNC) play a leading morphogenetic role in the development. They give rise to the pericytes composing the meninges of the developing forebrain and the stroma of the choroid plexus (CP). Previous work done by the group has shown that the absence of CNC coincides with anencephaly and an absence of CP. Furthermore, the mutations of certain genes identified in humans are correlated to neurodevelopmental syndromes and have neurocristopathy manifestations taking place before cognitive impairment. Altogether, these observations suggest that CNC can control the homeostasis of the central nervous system, by regulating the biology of CP through the production of the cerebrospinal fluid and the repertoire of cytokines involved in the brain immunity. In addition to a mechanical protection, we investigate the role of the CNC cells and the meninges in the immunosurveillance of the embryonic brain. More specifically, we investigate the hypothesis that the deregulation of the CNC and their immune functions may cause neurodevelopmental defects associated with cognitive defects and behavioral impairments at birth. To explore this question, we use the chick embryo as a model in which the social interactions can be modelled and analyzed using “filial imprinting”.Due to the accessibility of the avian embryo at all developmental stages, microsurgery is performed in a stage-, space- and tissue-specific manner. In vivo experiments were performed using immunohistochemistry on histological sections of the brain or on whole-mount brains using Light sheet microscopy. To analyze the effect of valproic acid (VPA), an anticonvulsant known tocause cognitive disorders, on the brain at a cellular level, in vitro experiments were performed using immunocytochemistry. Gene expression profiling was also carried out on meninges and pericytes, grown in vitro.When chick embryos are treated with VPA, they exhibit severe alterations in their social interactions after birth and hypervascularization in the brain. Furthermore, pericytes acquire macrophage features. By using an antiangiogenic drug called Sunitinib (Suni) on VPA-treated chicken embryos, a significant rescue of social behavior and hypervascularisation in the brain is observed.By characterising the phenotype of CNCs, it was possible to describe the ability of these cells to decondense their nuclear material and form extracellular DNA traps. This process called ETosis was first described for neutrophils and circulating blood cells as a defence mechanism against pathogens but has never been described in mesenchymal cells, nor in embryos. When pericytes come into contact with VPA, they generate a decondensation of their DNA, which is found in large proportions in the cytoplasm. DNA filaments are also observed in the extracellular compartment. VPA also tends to inhibit pericyte migration, leading to cooperating cells that produce cytokines and assist VPA-affected cells. With the application of VPA+Suni, migration is partially rescued and is completely rescued with the presence of Suni alone. Our data show that CNC-derived pericytes are professional immune cells that express inflammatory molecules and deregulation of this inflammation would suggest possible adverse effects on the development of cognitive functions in the embryo. This work can open new avenue to further explore the role of CNC-derived pericytes in the aetiology of developmental encephalopathies.