Évolution et hétérogénéité de quiescence des cellules souches neurales adultes

Evolution and quiescence heterogeneity of adult neural stem cells

• Auteur / Autrice : David Morizet
• Direction : Laure Bally-Cuif
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Inscription en doctorat le 09/12/2019; Soutenance le 13/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Neurogénétique du Poisson zébré

Mots clés

Mots clés libres

Astroglie

Quiescence

ScRNA-seq

Astroglia

Quiescence

ScRNA-seq

Résumé

La neurogénèse adulte persiste au sein de niches restreintes dans le cerveau de presque tous les mammifères. Ce processus est majoritairement étudié dans le gyrus denté de l’hippocampe, qui reçoit de nouveaux neurones produits dans la zone sous granulaire, et dans le bulbe olfactif qui reçoit des neurones produits dans la zone sous ventriculaire. Ces nouveaux neurones supportent des fonctions homéostatiques et adaptatives en aidant à la discrimination entre des stimuli proches, à l’apprentissage et à la consolidation de nouveaux souvenirs ainsi qu’à l’oubli d’anciens. Le maintien et l’adaptabilité de la neurogénèse adulte dépendent de l’activité des cellules souches neurales (CSN). Une équilibre entre quiescence –un état réversible d’arrêt du cycle cellulaire nécessaire au maintien des CSN– et activation, pour produire de nouveaux neurones fonctionnels, doit être préservé. Des années d’études ont révélé que la quiescence est un état hétérogène mais les signatures moléculaires de différents états de quiescences n’ont pas été identifiées. Bien que la neurogénèse adulte soit rare chez les mammifères, elle est plus répandue dans de nombreux vertébrés. Le télencéphale du poisson zébré s’est imposé comme un modèle précieux pour comprendre la dynamique et la régulation de la neurogénèse adulte. Celle-ci y est active dans des régions homologues aux niches neurogéniques des mammifères et des études ont montré que des régulateurs clés comme la voie de signalisation Notch sont conservés entre poissons et mammifères. Pour ces raison nous avons entrepris une caractérisation du télencéphale du poisson zébré et en particulier de ses CSN quiescentes. Nous avons ensuite comparé des données collectées en conditions physiologiques à des données générées après une courte inhibition de la voie Notch et/ou provenant du cerveau d’autres espèces. Avec le jeu de données en conditions physiologiques nous avons établi un atlas du télencéphale de poisson zébré et découvert que les CSN adultes peuvent être divisées en plusieurs sous-populations. Cette hétérogénéité est en partie dépendante de leur identité spatiale et la zone ventriculaire chez le poisson zébré maintient son patron développemental d’une manière très similaire à la situation chez les mammifères, ce qui permet d’identifier des régions homologues et facilitera les comparaisons inter-espèces. La deuxième source majeure d’hétérogénéité des CSN est leur profondeur de quiescence et nous avons mis en évidence des gradients d’expression de gènes associés avec la régulation de l’équilibre entre quiescence et activation. Au moyen d’analyses inter-espèces nous avons identifiés à la fois des caractéristiques conservées et innovantes de la cascade neurogénique dans le lignage qui a mené aux mammifères. De manière surprenante, une partie des glies radiaires de poisson zébré est plus similaires aux astrocytes de mammifères ou d’oiseaux qu’à leurs glies radiaires. Cela a motivé un élargissement de nos analyses à plus de 20 espèces séparées par plus de 680 millions d’années d’évolution et a permis d’identifier des changements moléculaires et cellulaires clés qui ont menés à la structure actuelle du cerveaux des mammifères. Le jeu de données généré après inhibition de la voie Notch a révélé que les différentes populations de CSN restaient identifiables mais que la quasi-totalité d’entre elle était entrée dans un état plus activé. En particulier nous avons découvert que les glies radiaires similaires aux astrocytes chez le poisson zébré peuvent se réactiver sans perdre leur identité d’une manière similaires à certains astrocytes périventriculaires chez la souris qui produisent des neurones suite à une blessure, un AVC ou une inhibition de la vie Notch. Enfin, une sous-population est capable de résister à la voie Notch. Nous avons découvert que nr2f1b est au moins en partie responsable de cette résistance et démontré l’existence de voies redondantes pour maintenir la quiescence dans cette population.

Adult neurogenesis persists in restricted niches in the brains of almost all mammals. The most widely acknowledged and studied ones are the dentate gyrus of the hippocampus which receives new neurons produced by local stem cells in the subgranular zone (SGZ) and the olfactory bulb which receives neurons produced by stem cells in the subventricular zone (SVZ). There, the production of new neurons serves homeostatic and adaptive functions with the addition of new neurons that help with discrimination between similar stimuli, learning and consolidation of new memories and erasure of old ones. The maintenance and adaptive abilities of adult neurogenesis are highly dependent on the activity of neural stem cells (NSC) which support it. A delicate balance between quiescence –a reversible state of cell cycle arrest necessary to preserve the NSC pool– and activation, to produce functional newborn neurons, must be struck. Years of study have revealed that quiescence is a heterogeneous state but the molecular signatures of different quiescence states have not been identified. Although adult neurogenesis is rare in mammals, it is widespread in several other vertebrates. The zebrafish telencephalon in particular has become a highly valuable model to understand the dynamics and regulation of adult neurogenesis. Not only is zebrafish adult neurogenesis extensive in regions homologous to the neurogenic niches in mammals, but investigations of the regulation of quiescence suggest that key regulators like the Notch pathways are conserved between fish and mammals. Because of that, we aimed to unbiasedly characterize the molecular landscape of the zebrafish telencephalon and in particular of its quiescent NSCs. We then compared data acquired in physiological conditions to data generated after short Notch pathway inhibition and generated from the brain of other species. Under physiological conditions we built an atlas of the zebrafish telencephalon. We found that adult NSCs can be divided into several subpopulations. Part of this heterogeneity is dependent on positional identity and we found that the ventricular zone in zebrafish maintains its developmental patterning in a way highly reminiscent of the situation in mammals, allowing us to identify homologous regions which will facilitate comparisons between species. The second main contributor to NSC heterogeneity is quiescence depth, and we found continuous gradients of expression of genes associated with the regulation of the balance between quiescence and activation. With cross-species analyses we identified both highly conserved and innovative features of the neurogenic cascade from stem cell to newborn neuron in the lineage that gave rise to mammals. Surprisingly, we also identified that a subset of radial glia in zebrafish is more similar to mammalian and avian astrocytes than to their radial glia. This prompted us to broaden our analyses to over 20 species spanning more than 680 million years of evolution and to identify key molecular and cellular changes that led to the current form of mammalian brains. Analysis of the dataset generated after Notch inhibition revealed that the different cell populations remained readily identifiable but that nearly all of them had transitioned towards a more activated state. In particular, we found that astrocyte-like radial glia in zebrafish could upregulate genes associated with activation without losing their identity. We found that this reactivation is highly similar to that of periventricular astrocytes in mice which can produce new neurons upon injury or Notch inhibition, identifying putative markers to prospectively recognize those cells. Finally, one NSC subpopulation resists Notch inhibition, independently maintaining expression of Notch target genes. We found that nr2f1b is at least partly responsible for this, and thus that there are redundant pathways maintaining quiescence in that cell population.