La neurogenèse est présente, dans le cerveau adulte, dans la zone sous-ventriculaire (ZSV) encadrant les ventricules latéraux et dans le gyrus dentelé (GD) de l’hippocampe, permettant l’apprentissage, la mémoire et la fonction olfactive. Ces micro-environnements possèdent des signaux contrôlant l’auto-renouvellement des cellules souches neurales (CSN), leur prolifération, leur destin et leur différenciation. Or, lors du vieillissement, les capacités régénératives et homéostatiques et la neurogenèse déclinent. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA), comme le modèle animal reproduisant cette maladie (3xTg-AD), montrent une accélération des phénotypes liés au vieillissement dont une diminution de la neurogenèse. Notre hypothèse est que la découverte des mécanismes affectant la neurogenèse, lors du vieillissement et de la MA, pourrait fournir de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir le déclin cognitif. Les études sur l’âge d’apparition et les mécanismes altérant la neurogenèse dans la MA sont contrastées et nous ont guidé vers deux études. L’examen des changements dans les étapes de la neurogenèse lors du vieillissement et du développement de la neuropathologie. Nous avons étudié la ZSV, les bulbes olfactifs et le GD de souris femelles de 11 et 18 mois, et l’apparition des deux pathologies associées à la MA : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements neurofibrillaires. Nous avons découvert que les souris 3xTg-AD possèdent moins de cellules en prolifération, de progéniteurs et de neuroblastes, induisant une diminution de l’intégration de nouvelles cellules dans le GD et les bulbes olfactifs. Notons que le taux de neurogenèse chez ces souris de 11 mois est similaire à celui des souris de phénotype sauvage de 18 mois, indiquant une accélération des changements liés au vieillissement dans la MA. Dans la ZSV, nous avons aussi démontré une accumulation de gouttelettes lipidiques, suggérant des changements dans l’organisation et le métabolisme de la niche. Enfin, nous avons démontré que le déficit de la neurogenèse apparait lors des premières étapes de la MA, avant l’apparition des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires. A l’examen des mécanismes inhibant la neurogenèse lors de la MA, nous voyons que chez des souris de 5 mois, le déficit de la neurogenèse dans la ZSV et le GD est corrélé avec l’accumulation de lipides, qui coïncide avec l’apparition du déclin cognitif. Nous avons aussi découvert que dans le cerveau humain de patients atteints de la MA et dans les 3xTg-AD, des gouttelettes lipidiques s’accumulaient dans les cellules épendymaires, représentant le principal soutien des CSN de la niche. Ces lipides sont des triglycérides enrichis en acide oléique qui proviennent de la niche et pas d’une défaillance du système périphérique. De plus, l’infusion locale d’acide oléique chez des souris de phénotype sauvage permet de reproduire l’accumulation de triglycérides dans les cellules épendymaires, comme dans la MA. Ces gouttelettes induisent un dérèglement de la voie de signalisation Akt-FoxO3 dans les CSN, menant à l’inhibition de leur activation in vitro et in vivo. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la régulation de la neurogenèse par le métabolisme lipidique. Nous avons démontré un nouveau mécanisme par lequel l’accumulation des lipides dans la ZSV induit une inhibition des capacités de prolifération et de régénération des CSN lors de la MA. Les travaux futurs permettront de comprendre comment et pourquoi le métabolisme lipidique du cerveau est altéré dans la MA, ce qui pourrait offrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la prévention et la régénération. / In the adult brain, neurogenesis continues in the subventricular zone (SVZ) surrounding the lateral ventricles and the dentate gyrus (DG) of the hippocampus where it plays a critical role in learning, memory, and olfactory function. Within these microenvironments, combinatorial signals control neural stem cell (NSC) self-renewal, proliferation, fate determination and differentiation. Unfortunately, during aging, neurogenesis declines along with many other homeostatic and regenerative capabilities. Furthermore, Alzheimer’s disease (AD) patients and many AD models show an acceleration of several aging related phenotypes including neurogenesis. We hypothesize that uncovering how neurogenesis is affected during aging and in AD will provide novel targets for prevention of cognitive decline. However, conflicting findings including the age of onset and the mechanisms altering neurogenesis in AD propelled us to perform the two following studies. First, we examined the various steps of neurogenesis and how they change as a result of aging, neuropathology development, and neurogenic niches. We studied neurogenesis in the SVZ, olfactory bulb, and DG of 11- and 18-month-old female mice and simultaneously measured the stages of the two major AD-associated pathologies, amyloid plaques and neurofibrillary tangles. We found that, 3xTg-AD mice had fewer proliferating cells, neural progenitors and neuroblasts, resulting in decreased numbers of adult-born cells added to the dentate granule cell layer and the olfactory bulbs. Interestingly, the levels of neurogenesis in 11-month-old 3xTg mice were similar to those in 18-month-old WT mice, indicating an acceleration of aging-related changes in neurogenesis. Interestingly, we found that the deficits in neurogenesis appear at early stages of AD-associated pathologies, before the appearance of the hallmark Aβ plaques and neurofibrillary tangles. Instead, we found a pronounced accumulation of large lipid droplets, suggestive of significant organizational and metabolic changes (Chapter 2). Second, we examined the mechanisms inhibiting neurogenesis in AD. Studying young 5-month-old mice, we found that deficits in SVZ and DG neurogenesis still correlated with extensive lipid accumulation coinciding with the onset of cognitive decline. Importantly, we found that postmortem AD brains and 3xTg-AD mice accumulate neutral lipids within ependymal cells, the main support cell of the SVZ niche. Using novel mass spectrometry techniques, we identified these lipids as oleic acid-enriched triglycerides. Moreover, analysis of plasma, cerebrospinal fluid, and microdissected SVZs showed that these lipids originate from niche-derived rather than peripheral lipid metabolism defects. Remarkably, locally increasing oleic acid in wild-type mice was sufficient to recapitulate the AD-associated ependymal triglyceride phenotype and led to a de-regulation of the Akt-FoxO3 NSC preservation pathway, and inhibition of NSC activation in vitro and in vivo (Chapter 3). Together, this work suggests a novel mechanism of cognitive defects. Specifically, lipid accumulation within SVZ niche cells during early adulthood inhibits the proliferative and regenerative capacity of NSCs in AD. Future work aimed at understanding how and why brain lipid metabolism is altered in AD could provide therapeutic targets for preventative and regenerative strategies for those suffering from AD.

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.

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.