Décryptage des fonctions des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et du système Redox dans le développement des rétines humaines et du poisson zèbre

Deciphering the functions of ROS and the Redox system in the development of the zebrafish and human retinae

• Auteur / Autrice : Laura Belleri
• Direction : Shahad Albadri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la Vision
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Développement et fonctionnement du système visuel des vertébrés

Mots clés

Mots clés libres

Espèces réactives de l'oxygène

Développement des rétines

Poisson zèbre

Ros

Retinal development

Zebrafish

Résumé

Les espèces réactives de l'oxygène (ROS), en particulier H2O2, sont des sous-produits du métabolisme aérobie. Pendant des décennies, elles n'ont été reconnues que pour leurs effets délétères lorsqu'elles sont présentes en excès sur les biomolécules, entraînant la sénescence et la mort des cellules. Des preuves de plus en plus nombreuses ont cependant mis en évidence le rôle physiologique des ROS dans la transduction des signaux par le biais de modifications post-traductionnelles réversibles sur les protéines et les lipides. Dans cette lignée, des travaux antérieurs de notre laboratoire ont démontré que les niveaux de H2O2 sont étroitement régulés au cours du développement de la rétine chez le poisson zèbre et orchestrent le passage de la prolifération à la différenciation des cellules souches et progénitrices de la rétine (RSCs et RPCs). Nous avons démontré que cette régulation passe notamment par l'activité de l'enzyme de piégeage de la catalase. Ces résultats ont permis d'identifier un rôle physiologique pour la signalisation redox au cours du développement de la rétine chez les vertébrés. Afin d'évaluer la conservation et les mécanismes spécifiques à chaque espèce impliqués dans ce processus, nous avons procédé à un séquençage comparatif de l'ARN d'une seule cellule de la rétine du poisson zèbre et à des analyses d'organoïdes rétiniens dérivés d'iPSCs humains. Grâce à cette approche, nous avons identifié plusieurs gènes liés à l'oxydoréduction exprimés de manière différentielle dans les CPR. Parmi ceux-ci, nous nous concentrons principalement sur l'évaluation des rôles de deux protéines, Nrf3 et Prdx6. Nrf3 est un membre de la famille Cap'n'Collar (CNC), qui sont des facteurs de transcription connus pour conférer une cytoprotection contre le stress oxydatif. Cependant, leur rôle dans le contexte de la rétinogenèse n'a jamais été évalué. En utilisant une approche de perte de fonction, l'équipe a évalué l'influence du facteur CNC Nrf3 que nous avons trouvé exprimé dans la CMZ sur l'expression d'enzymes métaboliques comme Sod2 et Catalase et sur la différenciation des CPR/ homéostasie de la CMZ. Nous avons également montré que la perte de la fonction Nrf3 conduisait les CPR à ne pas sortir du cycle cellulaire, comme cela avait été observé précédemment en l'absence de catalase. Il est intéressant de noter que l'expression de la catalase dans les embryons mutants nrf3 est régulée à la hausse. Nous étudions actuellement les cibles en aval de Nrf3 et la relation entre Nrf3 et Catalase dans la régulation du passage des CPR de la prolifération à la différenciation. En outre, nous nous sommes intéressés à un autre membre redox, la Peroxiredoxin 6 (Prdx6), dont nous avons trouvé l'expression limitée aux RSC et RPC dans la rétine du poisson zèbre grâce à l'hybridation in situ multiplex. Bien que la perte de l'activité antioxydante de Prdx6 ait été associée au développement de plusieurs pathologies oculaires, sa fonction au cours du développement de la rétine reste inconnue. L'un des objectifs de ce projet est d'étudier la fonction de Prdx6 dans la différenciation des CPR. Pour ce faire, nous prévoyons d'effectuer des approches de gain et de perte de fonction en combinaison avec l'imagerie en direct à la fois in vivo en utilisant le poisson zèbre et les organoïdes rétiniens humains dérivés de l'iPSC comme modèle in vitro pour la rétinogenèse humaine.

Reactive Oxygen Species (ROS), in particular H2O2, are by-products of aerobic metabolism, for decades only recognized for their deleterious effects when present in excess on biomolecules, leading to cell senescence and death. Increasing evidence has however pointed at a physiological role for ROS in signal transduction through reversible post-translational modifications on proteins and lipids. In this line, previous work from our laboratory demonstrated that H2O2 levels are tightly regulated during the retinal development in zebrafish and orchestrate the proliferation to differentiation switch of retinal stem and progenitor cells (RSCs and RPCs). We demonstrated that this regulation notably occurs through the activity of the Catalase scavenging enzyme. These findings identified a physiological role for redox signaling during vertebrate retinal development. In order to assess the conservation and species-specific mechanisms implicated in this process, comparative single-cell RNA sequencing of zebrafish retinae and human iPSCs-derived retinal organoids analyses were performed. Through this approach, we identified several redox-related genes differentially expressed in RPCs. Among these, we are mostly focus in assessing the roles of two proteins, Nrf3 and Prdx6. Nrf3 is a member of the Cap'n'Collar (CNC) family, which are transcription factors known to confer cytoprotection against oxidative stress. However, their role in the context of retinogenesis has never been assessed. Using a loss-of-function approach, the team evaluated the influence of Nrf3 CNC factor that we found expressed in the CMZ on the expression of metabolic enzymes like Sod2 and Catalase and on RPC differentiation/CMZ homeostasis. We also showed that the loss of Nrf3 function led RPCs to fail exiting the cell cycle, as previously observed in the absence of Catalase. Interestingly, Catalase expression in nrf3 mutant embryos is upregulated. We are currently investigating Nrf3 downstream targets and the relationship between Nrf3 and Catalase in the regulation of RPC switch from proliferation to differentiation. Additionally, we got interested in another redox-members, Peroxiredoxin 6 (Prdx6), whose expression we found restricted to RSCs and RPCs in the zebrafish retina through multiplex in situ hybridization. Although the loss of Prdx6 antioxidant activity was shown to be associated with development of several ocular conditions, its function during retinal development remains unknown. One of the aims of this project is to investigate Prdx6 function for RPC differentiation. To do so, we are planning to perform gain and loss -of-function approaches in combination with live-imaging both in vivo using zebrafish and human iPSC-derived retinal organoids as an in vitro model for human retinogenesis.