Rôle du métabolisme one-carbone dans le développement du néocortex

Role of one-carbon metabolism in neocortex development

• Auteur / Autrice : Sulov Saha
• Direction : Alice Davy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 07/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de biologie moléculaire, cellulaire et du développement (Toulouse ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Dufourcq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaia Navarino, Julien Courchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Nguyen, Alexandre Baffet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épigénétique

Réseaux neuronaux (physiologie)

Néocortex

Mots clés libres

Épigénétique

Néocortex

Progéniteurs neuraux

Organoides

Souris

Métabolisme

Metabolism

Organoids

Epigenetic

Neural progentors

Mouse

Neocortex

Résumé

Le néocortex des mammifères est unique en raison d'innovations évolutives telles que l'augmentation de sa taille et l'apparition de capacités cognitives complexes. Ces attributs nécessitent la mise en place de circuits neuronaux qui s'appuient sur une production stéréotypée de neurones et de cellules gliales à partir de progéniteurs neuraux (NPC). Des études pionnières ont montré que des programmes intrinsèques et des facteurs extrinsèques régulent le devenir des NPC pour équilibrer leur prolifération et leur différentiation en sous types cellulaires distincts. Le métabolisme cellulaire intègre ces différents facteurs et permet ainsi l'adaptation des NPC à leur environnement. Un nombre croissant d'études indiquent que le métabolisme des NPC est crucial pour leur maintien en prolifération mais comment ces cascades métaboliques interviennent pour contrôler la différentiation en sous types cellulaires spécifiques est encore mal compris. Au cours de mon doctorat, je me suis concentré sur le métabolisme du One carbone (1C). En particulier, j'ai cherché à caractériser le développement du neocortex lors d'une restriction du métabolisme 1C. Je me suis intéressé aux cycles du folate et de la Methionine qui produisent des métabolites importants pour la prolifération et les réactions de méthylation. J'ai utilisé une approche d'immunofluorescence quantitative pour analyser en détail la production des sous types de neurones lors d'une restriction du métabolisme 1C. Dans un premier temps j'ai analysé une lignée de souris génétiquement modifiée et un modèle d'organoide humain traité avec un agent pharmacologique. Dans un deuxième temps, j'ai évalué l'impact d'une restriction alimentaire en Methionine pendant la gestation sur la croissance et le développement du fœtus. Au cours du premier projet, en ciblant spécifiquement l'enzyme Dihydrofolate reductase (DHFR), mes travaux montrent que le métabolisme du folate est actif dans les progéniteurs apicaux au début de la neurogenèse et que la diminution de cette activité dans les NPC entraîne le basculement d'une neurogenèse directe à indirecte. Ceci a des conséquences sur la production neuronale et la composition en neurones du cerveau postnatal. Au niveau mécanistique, la diminution de l'activité de DHFR entraîne une diminution des métabolites THF et SAM, avec des conséquences sur la méthylation de l'histone H3. Globalement, ce travail indique que le métabolisme du folate joue un rôle important dans la dynamique de la neurogenèse dans le neocortex. Lors du deuxième projet, nous avons cherché à caractériser les conséquences d'une restriction alimentaire de Methionine (MR) courte (5 jours) au cours de la gestation sur trois organes fœtaux, le cerveau, le foie et le cœur. Nos travaux montrent que l'apport régulier en Methionine est indispensable à la croissance du cerveau, mais pas du foie ni du cœur, révélant une sensibilité différentielle de ces organes. Nous avons mesuré des paramètres, tels que la méthylation de l'ADN, la traduction et le cycle cellulaire et montré que ces trois organes réagissent différemment à la MR. Par ailleurs, en analysant plus spécifiquement le neocortex, nous avons observé que la production neuronale est fortement impactée par la MR. Cependant, le retour à un régime alimentaire complet pendant les 5 jours suivants la MR permet de restaurer la production neuronale, soulignant la très grande plasticitié du neocortex au cours du développement. En utilisant des approches de traçage de cohortes cellulaires, j'ai pû visualiser les progéniteurs à l'origine de cette croissance de rattrapage. Cette étude indique que le cerveau en développement est particulièrement vulnérable au déficit en Methionine qui se manifeste par un retard de croissance et une production neuronale réduite. Collectivement, les résultats obtenus durant ce travail de doctorat apportent un nouvel éclairage sur l'importance du métabolisme 1C pour la croissance et le développement du néocortex.

The neocortex is unique for its evolutionary innovations such as developmental expansion and higher cognitive functions in mammals. This requires a proper coordination on the generation of neurons and glia by a pool of neural progenitor cells (NPC) consisting of apical radial glial cells (aRGC) and intermediate progenitor cells (IPC). NPC pool is spatiotemporally regulated to balance proliferation and commitment to specific fates. Both intrinsic programs and extrinsic cues can influence NPC fate dynamics. Cellular metabolism allows the NPC to establish an integration of the intrinsic and extrinsic factors to better adapt to different environments. Emerging evidences suggest that NPC metabolism is crucial for the maintenance of NPC proliferation, but how metabolism may facilitate in vivo differentiation into distinct neuronal subtypes remain elusive. For modeling in vivo differentiation under one carbon (1C) metabolic deficiency, I aimed to characterize the contributions of folate and methionine cycles that provides biosynthetic metabolites predominantly in the NPC. We used quantitative immunofluorescence to perform a detailed analysis of neuronal production under 1C metabolic deficiency during neocortical development. First, we assessed the effects of folate metabolic deficiency using a genetically mutant mouse line and human organoids. Second, we investigated the impacts of gestational methionine dietary restriction on organ-specific growth outcomes in mice. In the first project, we found that folate metabolism is active in aRGC at the onset of neurogenesis. This spatiotemporal activity appears to be necessary for direct neurogenesis, an important step of development. Specifically, we show that targeting dihydrofolate reductase (DHFR) enzyme delays direct neuronal differentiation of aRGC at early stages, followed by increased production of IPC that promotes the onset of indirect neurogenesis with accelerated neuronal differentiation at mid-to-late stages in both mouse and human models. Mechanistically, we found that DHFR activity contributes to the steady-state levels of THF and SAM metabolites, and that has critical consequences on the histone methylation (H3K4me3) dynamics, implicating folate metabolism as a novel spatiotemporal regulator in the generation of neurons. In the second project, we sought to explore the consequences of methionine restriction (MR) on fetal organ growth and development. We targeted methionine metabolism with a MR diet given for 5 days to the pregnant mice and analyzed the growth of fetal organs, including the brain, liver, and heart. Our data shows that the supply of methionine throughout the gestation is necessary for brain growth and neocortical neurogenesis. In contrast, growth of the liver and heart is unaffected highlighting an organ-specific response to MR. In addition, we quantified global DNA methylation, translation, and cell cycle kinetics and found that those parameters are differentially affected in the organs. Strikingly, MR leads to neocortical growth retardation with reduced neuron numbers that is completely compensated at birth with the reintroduction of control diet for 5 days. Using cell cohort tracing, I identified the NPC pool that is responsible for this catch-up growth. Further, my data indicates that MR promotes direct neuronal differentiation of aRGC at early stages, followed by delay in the production of IPC and neuronal differentiation at mid-to-late stages in mouse neocortex. This unexpected result is in sharp contrast with the outcomes of folate metabolic deficiency, suggesting shared metabolites in the 1C metabolism might act independently. In conclusion, this study revealed that the brain is highly sensitive to MR, and methionine metabolism is a major regulator of brain growth. Collectively, the results of this PhD thesis provide new perspectives on how 1C metabolism contributes to NPC proliferation and differentiation outputs throughout neocortex development.