La ségrégation mitochondriale durant la neurogenèse des vertébrés : un régulateur du destin différentiel des cellules filles d'un progéniteur neural se divisant selon un mode de division asymétrique

Mitochondrial segregation during vertebrate neurogenesis: a regulator of the differential fate of asymmetrically dividing neural progenitor daughter cells

• Auteur / Autrice : Benjamin Bunel
• Direction : Evelyne Fischer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 11/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Division cellulaire et neurogenèse
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Piotr Topilko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Evelyne Fischer, Fabienne Pituello, Alessandra Pierani, Alexandre Baffet, Manuel Thery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Pituello, Alessandra Pierani

Mots clés

Mots clés libres

Neurogenèse

Mitochondrie

Division asymétrique

Déterminant de l'identité cellulaire

Neurogenesis

Mitochondria

Asymmetric Cell Division

Cell fate determinant

Résumé

Le système nerveux central des vertébrés est constitué de nombreux types de cellules qui se développent à partir d’un réservoir limité de cellules souches neuroépithéliales. La neurogenèse est processus dynamique basé entre autres sur une transition séquentielle de modes de division des progéniteurs neuraux. En premier lieu des divisions prolifératives symétriques (SYM) accroissent le pool de progéniteurs, puis des divisions neurogéniques asymétriques (ASYM) permettent de maintenir le pool de cellules souches et de produire des cellules engagées dans une voie de différentiation. Enfin, les progéniteurs produisent deux neurones lors d’une division terminale (TERM). Les divisions asymétriques sont centrales au processus de neurogenèse, créant une balance entre auto-renouvellement et production de neurones. Lors d’une division asymétrique, il est admis que l’asymétrie est intrinsèque à la cellule progénitrice en division avec une répartition inégale de déterminants de l’identité cellulaire. Les recherches visant à identifier ces déterminants se sont principalement concentrées sur la distribution asymétrique de protéines individuelles. Toutefois, la ségrégation inégale des organelles cellulaires complexes fait désormais l'objet de plus d'attention. Parmi ces organelles, les mitochondries et leur distribution mitotique ont émergé comme des régulateurs clés du destin cellulaire dans certaines cellules souches non neurales. Mon projet de thèse avait pour objectif de déterminer si la ségrégation mitochondriale pouvait constituer un déterminant de l’identité cellulaire dans les progéniteurs neuraux. Pour ceci j’ai 1) caractérisé et challengé la ségrégation des mitochondries durant la mitose des progéniteurs neuraux au cours du processus de neurogenèse puis j’ai (2) exploré l'impact fonctionnel d’une asymétrie mitochondriale forcée sur les cellules filles en me focalisant sur leur identité. Pour étudier la distribution mitochondriale durant la mitose, j’ai utilisé une stratégie d’imagerie en live des divisions des progéniteurs neuraux, couplée à une électroporation de constructions mitochondriales fluorescentes. Cette imagerie en live est réalisée sur des tubes neuraux d’embryon de poulet disséqués et montés à plat, permettant l’accès à la surface apicale du tube neural où se produisent les divisions. J’ai montré que la distribution mitochondriale pendant la mitose varie d'égale à inégale avec une fréquence cohérente avec celle des divisions SYM et ASYM au cours du développement. Ces résultats ont été renforcés par une augmentation de la fréquence de distribution inégale des mitochondries dans une population enrichie en progéniteurs effectuant des divisions ASYM. De plus, favoriser ou retarder les divisions neurogéniques a respectivement augmenté et diminué la distribution inégale des mitochondries. A l’échelle cellulaire, le suivi du destin en direct des paires de cellules sœurs a montré une distribution mitochondriale inégale lors de la plupart des divisions ASYM. De façon intéressante, le plus petit pool mitochondrial était hérité préférentiellement par le futur neurone. Ces expériences de suivi m’ont aussi permis de montrer que lors de divisions SYM et TERM, la distribution mitochondriale était égale. Finalement, l’utilisation d’outils chémo-géniques ligand-dépendant (CATCHFIRE) m’a offert la possibilité de manipuler transitoirement le transport mitochondrial afin de forcer une distribution inégale des mitochondries dans les progéniteurs prolifératifs. J’ai alors montré qu’induire une asymétrie de répartition des mitochondries était suffisante pour modifier l'identité des cellules filles avec la cellule fille héritant du plus petit pool de mitochondries devenant un neurone. Dans l’ensemble, les résultats obtenus suggèrent fortement que la ségrégation inégale des mitochondries constitue un déterminant de l’identité cellulaire et fournissent un nouvel aperçu des rôles régulateurs des mitochondries au cours du développement neural.

The vertebrate central nervous system is made up of numerous cell types that develop from a limited reservoir of neuroepithelial stem cells. Neurogenesis is a dynamic process based, among others, on a sequential transition in the modes of division of neuronal progenitors. First, symmetrical proliferative divisions (SYM) increase the pool of progenitors, then asymmetrical neurogenic divisions (ASYM) maintain the pool of stem cells and produce neurons. Finally, the progenitors produce two neurons during a terminal division (TERM). Asymmetric divisions are at the heart of the neurogenesis process, creating a balance between self-renewal and neuron production. During asymmetric division, it is accepted that the asymmetry is intrinsic to the dividing progenitor cell with an unequal distribution of cell fate determinants. Research aimed at identifying these determinants has mainly focused on the asymmetric distribution of individual proteins. However, the unequal segregation of complex cellular organelles is now receiving more attention. Among these organelles, mitochondria and their mitotic distribution have emerged as key regulators of cell fate in certain non-neural stem cells. The aim of my thesis project was to determine whether mitochondrial segregation could constitute a cell fate determinant in neural progenitors. To do this I (1) characterised and challenged mitochondrial segregation during mitosis of neural progenitors during neurogenesis and (2) explored the functional impact of forced mitochondrial asymmetry on daughter cells by focusing on their identity. To study mitochondrial distribution during mitosis, I used a live imaging strategy of neural progenitor divisions, coupled with electroporation of fluorescent mitochondrial constructs. This live imaging is performed on dissected and flat-mounted chick embryo neural tubes, allowing access to the apical surface of the neural tube where divisions occur. I showed that mitochondrial distribution during mitosis varies from equal to unequal with a frequency consistent with that of SYM and ASYM divisions during development. These results were reinforced by an increase in the frequency of unequal mitochondrial distribution in a population enriched in progenitors performing ASYM divisions. Furthermore, promoting or delaying neurogenic divisions respectively increased and decreased the unequal distribution of mitochondria. At the cellular level, live fate monitoring of sister cell pairs showed unequal mitochondrial distribution during most ASYM divisions. Interestingly, the smallest mitochondrial pool was preferentially inherited by the future neuron. These follow-up experiments also enabled me to show that mitochondrial distribution was equal during SYM and TERM divisions. Finally, the use of ligand-dependent chemo-genic tools (CATCHFIRE) offered me the possibility of transiently manipulating mitochondrial transport to force an unequal distribution of mitochondria in proliferative progenitors. I then showed that inducing an asymmetric distribution of mitochondria was sufficient to alter the identity of daughter cells, with the daughter cell inheriting the smallest pool of mitochondria becoming a neuron. Overall, the results strongly suggest that unequal mitochondrial segregation contitutes a cell fate determinant and provide new insight into the regulatory roles of mitochondria during neural development.