Identification et activation des cellules souches neurales quiescentes dans le cerveau adulte et durant le vieillissement

Abstract

La neurogenèse est maintenue dans le cerveau adulte dans des régions restreintes du cerveau appelées niches neurogéniques. L’une des niches principales est la zone ventriculaire/sous-ventriculaire (V-SVZ) dans laquelle résident des cellules souches neurales (NSCs). Les NSCs sont à l’origine de la formation des nouveaux neurones en donnant naissance aux progéniteurs puis aux neuroblastes. Les études récentes sur la neurogenèse ont mis en évidence l’existence des NSCs quiescentes (qNSCs, aussi appelées cellules B1) et des NSCs actives (aNSCs). Le modèle actuel de la neurogenèse adulte place les qNSCs B1 en amont des aNSCs. L’hypothèse étant que cette population dormante constitue une « réserve », afin de maintenir les aNSCs tout au long de la vie.

Les techniques actuelles ne permettent pas de cibler les qNSCs spécifiquement in vivo et donc, d’analyser leurs propriétés biologiques, leurs mécanismes d’activation ainsi que leur relation avec les aNSCs. Cette compréhension est nécessaire pour la mise au point de stratégies thérapeutiques pouvant utiliser le potentiel des cellules souches pour restaurer la neurogenèse dans les contextes de vieillissement et de maladies neurodégénératives.

Afin de caractériser les qNSCs de la V-SVZ, nous avons utilisé l’électroporation de plasmides dans un modèle de souris rapportrice Rosa26-stop-EYFP. Dans celle-ci, la séquence codant pour la protéine EYFP précédée par un codon STOP floxé, est inséré au locus Rosa26. L’excision du codon STOP par une recombinase permet l’expression du rapporteur dans les cellules électroporées ainsi que leur descendance. Cette technique nous a permis de cibler spécifiquement une population d’astrocytes en contact avec le ventricule et d’étudier leur contribution à la neurogenèse adulte. À la différence des approches virales et transgéniques, l’électroporation peut cibler les cellules quiescentes et l’expression du plasmide est limité aux cellules en contact avec le ventricule. Grâce à cette technique nous avons mis en évidence des éléments surprenants : i) cette population est majoritairement quiescente et ne contribuent à la neurogenèse que de manière minimale, ii) cette population ne participe pas à la régénération de la niche in vivo, iii) elles ne génèrent pas les aNSCs à l’origine des neurosphères in vitro et iv) son activité neurogénique peut être augmentée en exprimant le gène pro-neural Mash1. Ensuite, nous nous sommes intéressés au rôle de la signalisation EGFR dans la régulation de l’activité des cellules souches/progéniteurs neuraux (NSPCs). Dans cette seconde étude, nous montrons que i) la signalisation EGFR est réduite avec l’âge, ii) PI3K/AKT, MEK/ERK et mTOR régulent différemment la prolifération, la différenciation et la survie des NSPCs et iii) l’activation d’EGFR dans les qNSCs permet d’augmenter la neurogenèse sous ventriculaire à 3 mois, mais pas à 6 mois ou dans un modèle de la maladie d’Alzheimer.

Nos données suggèrent donc que les qNSCs représentent une population hétérogène et/ou présentant 2 voies neurogéniques distinctes. De plus, nous avons montré que les voies de signalisation associées à EGFR exercent un contrôle différentiel sur l’activité des NSPCs. Enfin, nos résultats indiquent que les facteurs présents dans la niche sous-ventriculaire lors du vieillissement inhibent de manière dominante l’activation des NSCs.

Neurogenesis is maintained in restricted regions of the adult brain called neurogenic niches. One of the main neurogenic niches is the ventricular-subventricular zone (V-SVZ) in which neural stem cells (NSCs) reside. NSCs produce neurons through the generation of transit amplifying progenitors and neuroblasts. Recent studies on adult neurogenesis revealed the existence of quiescent NSCs (qNSCs, also called B1) and activated NSCs (aNSCs). The current model of adult neurogenesis places qNSCs (B1) upstream of aNSCs in the lineage. The hypothesis is that the qNSC population constitutes a “reserve” pool to maintain aNSC pool throughout life. So far, the techniques used do not allow specific targeting of the qNSCs in vivo. Therefore, it is not possible to analyze their biological properties, activation mechanisms and relationship with aNSCs. This understanding is also necessary to establish therapeutic strategies that could utilize the potential of stem cells to restore neurogenesis in contexts of aging and neurodegenerative diseases. In order to characterize qNSCs in the ventricular zone, we took advantage of plasmid electroporation in a reporter mouse model, Rosa26-stop-EYFP. In this model, the sequence coding for EYFP preceded by a floxed STOP codon is inserted at the Rosa26 locus. Excision of the STOP codon by a recombinase enables expression of the reporter in electroporated cells and their progeny. This technique enabled the specific targeting of a ventricle-contacting astrocytes population and to study their contribution to adult neurogenesis. Unlike transgenic or viral approaches, electroporation can target quiescent cells and the expression of the plasmid is restricted to the ventricle-contacted cells. Using this approach, we made surprising observations: i) this population is mostly quiescent and only minimally contributes to adult neurogenesis, ii) this population does not participate in niche regeneration in vivo and iv) their neurogenic output can be increased by expressing the pro-neural gene Mash1. Next, we investigated the role of EGFR signaling in the regulation neural stem and progenitor cells (NSPCs) activity. In this second study, we show that i) EGFR signaling decreases during aging, ii) PI3K/AKT, MEK/ERK and mTOR exert different regulation proliferation, differentiation and survival of NSPCs and iii) activation of EGFR in the qNSCs increases V-SVZ neurogenesis in 3-months-old animals but not in 6-months-old or Alzheimer’s disease model animals. Our data suggests that the NSC population is heterogeneous, with variable neurogenic output from the different sub-populations, as well as different activation modalities. We also showed that EGFR-associated signalling pathways differentially regulate NSPCs activity. Finally, our results indicate that the factors present in the V-SVZ niche during aging dominantly inhibit activation of NSCs.