Identification et caractérisation du signal Sonic Hedgehog pour la maintenance et la réparation du cerveau

Identification and characterization of Sonic Hedgehog signal for brain maintenance and repair

• Auteur / Autrice : Mariagiovanna Russo
• Direction : Martial Ruat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 30/10/2023
• 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 : Elisabeth Traiffort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Ange Renault, Carlos Parras, Paolo Giacobini, François Boussin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Ange Renault, Carlos Parras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuropharmacologie

Protéine basique de la myéline

RNAscope

Oligodendrocytes

Démyélinisation

Protéine Sonic hedgehog

Mots clés libres

RNAscope

Réparation

Oligodendrocytes

Pharmacologie

Demyelinisation

RNAscope

Brain repair

Oligodendrocytes

Pharmacology

Demyelination

Résumé

Dans le cerveau de souris adulte, la signalisation Sonic Hedgehog (Shh) régule le maintien des cellules souches et progénitrices, la connectivité neuronale et gliale ainsi que la réparation cérébrale. Cependant, les sources de Shh restent peu caractérisées. En utilisant des techniques d'hybridation in situ (RNAscope), j'ai découvert l'expression de Shh dans de plus grandes populations de neurones dans le cerveau de souris adultes que ce qui avait été initialement rapporté. En plus des neurones GABAergiques dans le pallidum ventral et des neurones cholinergiques dans les noyaux moteurs, des transcrits de Shh sont observés dans les neurones dopaminergiques du mésencéphale et dans les neurones nitrinergiques nNOS de différentes régions cérébrales (Russo et al., soumis). De plus, dans les noyaux hypothalamiques, nous avons détecté une distribution étendue des ARNm des récepteurs de Shh, Ptc et Smo, ainsi que des facteurs de transcription Gli1-3, dans les astrocytes. Nous avons montré qu'une activation de la signalisation Shh dans les astrocytes Glast+ via la suppression de Ptc, réduit l'adiposité, améliore la tolérance au glucose, prévient la résistance à l'insuline liée à l'âge et la prise de poids. Ainsi, la signalisation Shh dans les astrocytes joue un rôle central dans la lutte contre les défauts métaboliques liés à l'obésité et représente une nouvelle cible pour des stratégies potentielles de traitement de l'obésité (Tirou, Russo et al., 2021). J'ai également détecté des ARNm de Shh dans une population d'oligodendrocytes (OLs) exprimant les ARNm d'Olig2 et Sox10 dans presque toutes les régions cérébrales. En utilisant l'anticorps monoclonal Shh-C9C5, j'ai rapporté l'expression de Shh dans une sous-population d'OLs matures CC1+ qui n'expriment pas PDGFRα, un marqueur des cellules progénitrices d'OLs (OPCs). Ces données suggèrent qu'une population d'OLs matures constitue une nouvelle source de Shh dans des conditions physiologiques (Tirou, Russo et al., 2020). J'ai montré que l'expression de Shh-C9C5 augmente dans le cerveau de souris après la naissance, parallèlement à la protéine basique de la myéline (MBP). En utilisant des culture primaires d'OLs corticaux de rongeurs, j'ai montré que les ARNm et les protéines de Shh sont exprimés à des temps de division précoces et sont régulés à la hausse pendant la maturation des OLs, précédant la MBP, tandis que les cellules myélinisantes coexpriment Shh-C9C5 et MBP. En utilisant un modèle murin de démyélinisation focale par la LPC, j'ai montré une induction rapide à la fois des ARNm et du peptide de Shh dans les OPCs PDGFRα+ situées dans le corps calleux (cc) lors de la remyélinisation. En invalidant l'expression de Shh, j'ai montré une diminution de l'expression de la MBP et de la PLP à 10 et 20 jours après la lésion (jpl), suggérant un rôle de Shh dans la maturation des OLs et de la production de myéline. Ces données suggèrent que la modulation de Shh par les OLs constitue une nouvelle cible pharmacologique pour la remyélinisation (Russo et al., manuscrit en préparation). Trouver des thérapies régénératives novatrices pour les maladies démyélinisantes est crucial en raison du manque de médicaments efficaces. Ainsi, j'ai démontré kes propriétés pro-myélinisantes du GSA-10, un agoniste non canonique du récepteur Smo, in vitro sur la lignée cellulaire OL immortalisée Oli-neuM. De plus, j'ai démontré que le GSA-10 favorise le recrutement des OPCs et leur différenciation en OLs matures dans le cc à 5 jpl, ce qui en fait un nouvel agent potentiel pour la remyélinisation (Del Giovane, Russo et al., 2022).Mon travail établit un cadre pour de nouvelles études visant à comprendre les mécanismes impliqués dans le fonctionnement du cerveau et les pathologies associées. De plus, ces données suggèrent que des modulateurs de Shh pourraient favoriser le recrutement et la maturation des OPCs, facilitant ainsi la remyélinisation et la récupération fonctionnelle dans les maladies démyélinisantes.

In the adult mouse brain, Sonic Hedgehog (Shh) signaling regulates stem and progenitor cell maintenance, neuronal and glial circuitry and brain repair. However, the sources of Shh remain poorly characterized.Using single-molecule fluorescent in situ hybridization, I discovered Shh expression in a wider population of adult mouse neurons than initially reported. Besides GABAergic neurons in the ventral pallidum and cholinergic neurons in the motor nuclei, Shh transcripts were observed in midbrain dopaminergic neurons and nNOS nitrergic neurons in different brain areas, such as the molecular layer of the cerebellum, cortical layers, the CA3 pyramidal cell layer of the hippocampus, and in hypothalamic nuclei. These data underline the importance of nNOS neurons in regulating Shh availability to brain cells (Russo et al., submitted).Furthermore, in hypothalamic nuclei, we detected a broad distribution of mRNA of Shh receptors Ptc and Smo, as well as Gli1-3 transcription factors, in astrocytes. Interestingly, we showed that activating Shh signaling in Glast+ astrocytes via Ptc deletion reduces adiposity, improves glucose tolerance and prevents age-related insulin resistance. We then studied the impact of Ptc deletion on metabolic dysfunctions induced by high-fat diet and showed that Ptc deletion also prevents weight gain, adipose tissue increase and hyperglycemia. Thus, Shh signaling in astrocytes appears to play a central role in countering the obesity related metabolic defects and represents a new target for potential strategies to treat obesity (Tirou, Russo et al., 2021).I also detected Shh mRNAs in a subset of oligodendrocytes (OLs) expressing Olig2 and Sox10 mRNAs across almost all brain areas. Interestingly, by using the Shh-C9C5 monoclonal antibody I reported a broad Shh expression in a subpopulation of CC1+ mature OLs that do not express PDGFRα, an OL progenitor cells (OPCs) marker. These data suggest a subset of mature OLs as a new source of Shh in physiological conditions (Tirou, Russo et al., 2020).Importantly, I showed that Shh-C9C5 expression increases in the postnatal mouse brain, in parallel with the Myelin Basic Protein (MBP). Using primary culture of cortical rodent OLs, I revealed that both Shh mRNA and protein are expressed at earlier division time points (day in vitro 1, DIV1) and are upregulated during OLs maturation, preceding MBP, while myelinating cells are co-expressing Shh-C9C5 and MBP at DIV3 and DIV6. Interestingly, by using the LPC focal demyelination mouse model, I unraveled a rapid induction of both Shh mRNA and peptide in PDGFRα+ OPCs located into the corpus callosum (cc) during remyelination. Moreover, by invalidating Shh expression, I showed a decrease in MBP and myelin proteolipid protein (PLP) expression at 10 and 20 days post lesion (dpl), suggesting a role of Shh in guiding OLs maturation and myelin production. These data suggest the increase of Shh production by OLs as a new pharmacological target for remyelination (Russo et al, in prep).Finding innovative regenerative therapies for demyelinating diseases is crucial due to the lack of effective drugs. Thus, I investigated the effect of GSA-10, a non-canonical Smo receptor agonist (Manetti et al., 2016) in vitro on the immortalized OL cell line Oli-neuM. We showed that GSA-10 increases MBP expression and enhances cells engagement on polystyrene microfibers. Furthermore, I demonstrated that GSA-10 promotes OPCs recruitment and their differentiation into mature OLs into the cc at 5 dpl, representing a potential new agent for remyelination (Del Giovane et al., 2022).My work provides the most robust central map of Shh-expressing cells to date and suggests a framework for new studies aimed at understanding new mechanisms implicated in brain maintenance and disease. Moreover, these data provide insight in using Shh modulators to promote OPC recruitment and maturation, facilitating remyelination and functional recovery in demyelinating diseases.