Les lésions cérébrales induisent une mort neuronale associée à des déficits fonctionnels importants. Afin de pallier aux capacités limitées de régénération spontanée des neurones du système nerveux central adulte, nous avons évalué, dans un modèle de lésion par aspiration du cortex moteur chez la souris adulte, le potentiel de stratégies de remplacement cellulaire par la transplantation de neurones embryonnaires ou dérivés de cellules souches, et la mobilisation des cellules souches endogènes présentes dans la zone sous-ventriculaire (ZSV). L'efficacité des neurones greffés dépend de leur capacité à adopter un phénotype neuronal approprié et à établir des projections spécifiques vers l'hôte. Nous avons montré que les cellules embryonnaires transplantées immédiatement après la lésion dans le cortex moteur lésé se différencient en neurones matures corticaux et envoient des projections appropriées vers les cibles du cortex moteur. Nous avons montré qu'introduire un délai d'une semaine entre la lésion du cortex moteur et la transplantation augmente la vascularisation et la prolifération des cellules transplantées, ainsi que la densité des projections qu'elles développent. Par ailleurs, nous avons étudié la possibilité de générer des neurones corticaux à partir de cellules souches humaines comme source alternative de neurones à transplanter. Enfin, nous avons montré que la lésion du cortex moteur induit une augmentation de la prolifération cellulaire et de la neurogenèse dans la ZSV, et favorise la migration des neuroblastes de la ZSV vers le site de lésion. / Damage to the adult motor cortex can lead to severe deficits in motor function. One strategy for overcoming the generally limited capacity of the mature central nervous system to regenerate axons in response to cell loss is cell replacement based therapies. We studied brain repair strategies in a mouse model of motor cortex aspiration lesion by using transplantation of embryonic neurons or stem cells-derived neurons and by evaluating the potential of endogenous stem cells found in the subventricular zone. Neuronal transplantation efficacy depends on the capacity of the transplanted cells to developp into appropriate neuronal phenotype and establishment of specific connections. We have shown that embryonic cells grafted immediately after lesion into the lesioned motor cortex develop into mature neurons with appropriate phenotype and establish projections towards appropriate targets. We have shown that introducing a delay of one week between motor cortex lesion and transplantation enhances graft vascularization, grafted cells proliferation and the density of transplant-to-host projections. Besides, we have studied the possibility to generate cortical neurons from human stem cells as an alternative source of neurons for transplantation. Finally, recruitment of endogenous stem cells found in the SVZ was examined in a mouse model of cortical lesion. We have shown that motor cortex injury increases cellular proliferation and neurogenesis in the SVZ and the migration of neuroblasts near the lesion site via blood vessels and astrocytes assisted migration.

Neurogenesis continues postnatally in two major neural stem cell (NSC) niches: The subventricular zone (SVZ) and dentate gurus of the hippocampus. SVZ NSCs self-renew and produce transit amplifying progenitor cells that, in turn, divide and give rise to neuroblasts. These neuroblasts migrate to the olfactory bulbs, via the rostral migratory stream (RMS), where they terminally differentiate into mature neurons. The postnatal SVZ (pSVZ) is more gliogenic than its adult counterpart (aSVZ), contributing to robust postnatal astrocytogenesis and oligodendrogenesis in the surrounding brain parenchyma. Studies examining Galectin-3 (Gal-3) in the aSVZ showed it has functions in regulating neuroblast migration, microglial activation, oligodendrocytic differentiation, and angiogenesis. However, the role of Gal-3 in pSVZ lineage progression is unknown. This thesis aims to unravel the roles of Gal-3 in regulating pSVZ lineage progression, fate choices, and NSC activation. In doing so, the thesis tackles the molecular pathways possibly involved in mediating the effects of Gal-3. I found through co-immunoprecipitation that Gal-3 was bound to β-catenin and both proteins were co-expressed in the aSVZ. In addition, expression of Gal-3 and Wnt/β-catenin signalling were downregulated as SVZ cells progressed through the lineage and became migratory. I hypothesised that Gal-3 may regulate lineage progression through regulation of Wnt/β-catenin signalling. To explore this hypothesis, Gal-3 overexpression, knockdown or control plasmids were co-electroporated with a Wnt/β-catenin reporter into the SVZ of postnatal day two mice. I found lineage progression was not altered by Gal-3 overexpression. Surprisingly, contrary to evidence described in the cancer literature, Gal-3 overexpression reduced Wnt/β-catenin signalling. This was accompanied by an acute reduction in proliferation. Also, more cells expressed p27/Kip1 in the SVZ, and more cells migrated into the RMS, suggesting increased cell cycle exit. However, NSC proliferation and clonal neurosphere forming capacity were not altered by Gal-3 overexpression, indicating that NSC activation was not influenced by Gal-3. While olfactory neuronogenesis was not altered by Gal-3 overexpression, striatal astrocytogenesis was increased while oligodendrogenesis was dampened. Further experiments revealed phosphorylation of Smad proteins 1/5/8 was increased in vivo and in vitro after Gal-3 overexpression. These findings indicate that Gal-3 positively regulated BMP signalling in the SVZ, possibly contributing to Gal-3's pro-gliogenic effects. Taken together, this thesis supports a model whereby a subpopulation of Gal-3-responsive pSVZ cells reacted to Gal-3 overexpression by acutely exiting the cell cycle, and possibly through the same mechanisms, switched from oligodendrocytic to astrocytic fate. These cellular responses might have been brought about, at least partially, by acute suppression of Wnt/β-catenin and activation of BMP signalling. These novel findings emphasise the regulatory actions of Gal-3 on pSVZ lineage progression through Wnt/β- catenin and BMP signalling.

La production de nouveaux neurones, un processus appelé neurogenèse, persiste à l’âge adulte et est assurée par les cellules souches neurales (CSN) au sein de niches spécialisées telle que la zone sous-ventriculaire (ZSV). Cependant, la neurogenèse adulte diminue à la suite de diverses atteintes cérébrales et au cours du vieillissement, provoquant des déclins cognitifs pour l’heure irréversibles. A l’aide d’une méthode de cytométrie en flux développée au laboratoire, nous avons montré que le déclin progressif de la neurogenèse de la ZSV au cours du vieillissement est lié, non pas à une diminution du nombre des CSN, mais à une forte réduction de leur prolifération due, notamment, à l’allongement spécifique de la phase G1 médiée par l’augmentation du TGFβ1. Par ailleurs, nous avons isolé les CSN quiescentes et les CSN en prolifération afin de caractériser leurs propriétés cellulaires et établir leur profil d'expression génique. L’analyse comparative de ces deux populations de CSN a révélé plusieurs niveaux de régulation de la balance entre quiescence et prolifération, telles que l’intégration de signaux en provenance du microenvironnement et l’existence de programmes de transcription distincts. L’ensemble de ces résultats ouvrent des perspectives pour l’utilisation des CSN quiescentes endogènes comme cibles thérapeutiques au cours du vieillissement ou pour régénérer les tissus cérébraux lésés. / The production of new neurons, a process called neurogenesis, persists during adulthood and is ensured by neural stem cells (NSCs) that are located in specialized niches in the mammalian brain such as the subventricular zone (SVZ). However, adult neurogenesis declines dramatically following brain damage and during aging leading to irreversible cognitive deficits. Using a flow cytometry-based cell sorting strategy, we show that the progressive age-related decline in SVZ neurogenesis is not caused by a loss of NSCs but rather by a proliferation deficit of NSCs with the lengthening of their G1 phase due to increased levels of TGFβ1. We then sorted quiescent and proliferative NSCs to characterize their functional properties and define their gene expression profiles. Comparative analysis of the two populations of NSCs reveals that the balance between quiescence and proliferation is regulated at multiple levels with the integration of external signals from the microenvironment and distinct transcriptional programs. Taken together, our results open new vistas into the potential use of endogenous quiescent NSCs as therapeutic targets to increase neurogenesis in the aged brain and to participate to the regeneration of damaged brain tissue.

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Die neonatale Hypoxie, als Schwangerschafts- und Geburtskomplikation, ist der wichtigste prädisponierende Umweltfaktor in der Pathophysiologie der Schizophrenie. Sie führt zu einer Schädigung des Gehirns und einer Störung der Hirnentwicklung. Insgesamt sind die neurobiologischen Auswirkungen, insbesondere auf die Zellproliferation, unklar. Im Tiermodell konnten bereits Verhaltensauffälligkeiten ähnlich der Schizophrenie, infolge chronischer neonataler Hypoxie, festgestellt werden. Störungen in der Zellentwicklung könnten hierfür die Ursache sein. Die Hypothese, dass der Beginn der abnormalen Hirnentwicklung perinatal liegt, während erste klinische Symptome im frühen Erwachsenenalter manifest werden, unterstützt diese Ergebnisse. Die Hirnentwicklung der Ratte ist in der frühen postnatalen Periode vergleichbar mit der eines menschlichen Fötus im dritten Trimenon der Schwangerschaft und eignet sich daher pathologische Prozesse im zentralen Nervensystem des Menschen zu reflektieren. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe postnataler Hypoxie die neuronale Zellproliferation in 20 männlichen Wistar-Ratten zu unterschiedlichen Zeitpunkten (postnataler Tag 13 und 39) untersucht. Die Hypoxietiere wurden vom postnatalen Tag vier bis acht einer Hypoxie, bestehend aus 11% O2 und 89% N2, ausgesetzt. Mit Hilfe der Bromodeoxyuridin-Peroxidasefärbung wurde die Zellproliferation in Hypoxie-vulnerablen Hirnregionen untersucht. Hierzu gehören der Gyrus cinguli, das Striatum, der Gyrus dentatus und die subventrikuläre Zone. Als Vergleich diente eine unbehandelte Kontrollgruppe. Durch ein Mikroskop mit Schrittmotorsystem und Stereo Investigator Software (MicroBrightField, UK) und der Optical Fractionator-Methode konnte erstmals festgestellt werden, dass Hypoxie-behandelte Tiere eine um 20% erhöhte Zellproliferation im Gyrus cinguli am postnatalen Tag 13 aufwiesen. Des Weiteren zeigte sich bei den Hypoxie-behandelten Tieren ein um 16% reduziertes Volumen im Striatum am postnatalen Tag 13. Am postnatalen Tag 39 zeigten sich keine signifikanten Unterschiede mehr. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein vorübergehender Einfluss chronischer Hypoxie auf die Zellproliferation und das Volumen angenommen werden kann und das das Gehirn innerhalb gewisser Grenzen während der neuronalen Entwicklung tolerant gegenüber exogenen Noxen wie Hypoxie zu sein scheint. Die Ergebnisse bestätigen auch, dass nur ein kleiner Teil der Hypoxie-assoziierten Geburtskomplikationen zu einer Schizophrenie führt und der Erkrankung eine multifaktorielle Gen-Umwelt-Interaktion zugrunde liegt. Zukünftig könnte es, mit der besseren Kenntnis neurobiologischer Auswirkungen von Umweltfaktoren und genetischen Faktoren im Gehirn, möglich werden die Schizophrenie frühzeitiger zu erkennen und zu behandeln sowie behindernde Symptome zu reduzieren.

Lors du développement, la coordination d’évènements moléculaires et cellulaires mène à la production du cortex qui orchestre les fonctions sensori-motrices et cognitives. Son développement s’effectue par étapes : les cellules gliales radiaires (RGs) – les cellules souches neurales (NSCs) du cerveau en développement – et les cellules progénitrices de la zone ventriculaire (VZ) et de la zone sous ventriculaire (SVZ) génèrent séquentiellement des vagues distinctes de nouveaux neurones qui formeront les différentes couches corticales. Autour de la naissance, les RGs changent de devenir et produisent des cellules gliales. Cependant, une fraction persiste tout au long de la vie dans la SVZ qui borde le ventricule, perdant au passage leur morphologie radiale. Ces NSCs produisent ensuite les différents sous types d’interneurones du bulbe olfactif ainsi que des cellules gliales en fonction de leur origine spatiale dans la SVZ. Ces observations soulèvent d’importantes questions non résolues sur 1) le codage transcriptionnel régulant la régionalisation de la SVZ, 2) le potentiel des NSCs postnatales dans la réparation cérébrale, et 3) le lignage et les spécificités transcriptionnelles entre les NSCs et leur descendants. Mon travail de doctorat repose sur une étude transcriptionnelle des domaines de la SVZ postnatale. Celle-ci soulignait le fort degré d’hétérogénéité des NSCs et progéniteurs et identifiait des régulateurs transcriptionnels clés soutenant la régionalisation. J’ai développé des approches bio-informatiques pour explorer ces données et connecter l’expression de facteurs de transcription (TFs) avec la genèse régionale de lignages neuraux distincts. J’ai ensuite développé un modèle d’ablation ciblée pour étudier le potentiel régénératif des progéniteurs postnataux dans divers contextes. Finalement, j’ai participé au développement d’une procédure pour explorer et comparer des progéniteurs pré et postnataux à l’échelle de la cellule unique. Objectif 1 : Des expériences de transcriptomique et de cartographie ont été réalisées pour étudier la relation entre l’expression régionale de TFs par les NSCs et l’acquisition de leur devenir. Nos résultats suggèrent un engagement précoce des NSCs à produire des types cellulaires définis selon leur localisation spatiale dans la SVZ et identifient HOPX comme un marqueur d’une sous population biaisé à générer des astrocytes. Objectif 2 : J’ai mis au point un modèle de lésion corticale qui permet l’ablation ciblée de neurones de couches corticales définies pour étudier la capacité régénérative et la spécification appropriée des progéniteurs postnataux. Une analyse quantitative des régions adjacentes, incluant la région dorsale de la SVZ, a révélé une réponse transitoire de progéniteurs définis. Objectif 3 : Nous avons développé la lignée de souris transgénique Neurog2CreERT2Ai14, qui permet le marquage de cohortes de progéniteurs glutamatergiques et de leurs descendants. Nous avons montré qu’une large fraction de ces progéniteurs persiste dans le cerveau postnatal après la fermeture de neurogénèse corticale. Ils ne s’accumulent pas pendant le développement embryonnaire mais sont produits par des RGs qui persistent après la naissance dans la SVZ et qui continuent de générer des neurones corticaux, bien que l’efficacité soit faible. Le séquençage d’ARN sur cellule unique a révélé une dérégulation transcriptionnelle qui corrèle avec le déclin progressif observé in vivo de la neurogénèse corticale. Ensemble, ces résultats soulignent le potentiel des études transcriptomiques à résoudre mais aussi à soulever des questions fondamentales comme les changements trancriptionnels intervenant dans une population de progéniteurs au cours du temps et participant aux changements de leur destinée. Cette connaissance sera la clé du développement d’approches novatrices pour recruter et promouvoir la génération de types cellulaires spécifiques, incluant les sous-types neuronaux dans un contexte pathologique. / During development, a remarkable coordination of molecular and cellular events leads to the generation of the cortex, which orchestrates most sensorimotor and cognitive functions. Cortex development occurs in a stepwise manner: radial glia cells (RGs) - the neural stem cells (NSCs) of the developing brain - and progenitor cells from the ventricular zone (VZ) and the subventricular zone (SVZ) sequentially give rise to distinct waves of nascent neurons that form cortical layers in an inside-out manner. Around birth, RGs switch fate to produce glial cells. A fraction of neurogenic RGs that lose their radial morphology however persists throughout postnatal life in the subventricular zone that lines the lateral ventricles. These NSCs give rise to different subtypes of olfactory bulb interneurons and glial cells, according to their spatial origin and location within the postnatal SVZ. These observations raise important unresolved questions on 1) the transcriptional coding of postnatal SVZ regionalization, 2) the potential of postnatal NSCs for cellular regeneration and forebrain repair, and 3) the lineage relationship and transcriptional specificities of postnatal NSCs and of their progenies. My PhD work built upon a previously published comparative transcriptional study of defined microdomains of the postnatal SVZ. This study highlighted a high degree of transcriptional heterogeneity within NSCs and progenitors and revealed transcriptional regulators as major hallmarks sustaining postnatal SVZ regionalization. I developed bioinformatics approaches to explore these datasets further and relate expression of defined transcription factors (TFs) to the regional generation of distinct neural lineages. I then developed a model of targeted ablation that can be used to investigate the regenerative potential of postnatal progenitors in various contexts. Finally, I participated to the development of a pipeline for exploring and comparing select populations of pre- and postnatal progenitors at the single cell level. Objective 1: Transcriptomic as well as fate mapping were used to investigate the relationship between regional expression of TFs by NSCs and their acquisition of distinct neural lineage fates. Our results supported an early priming of NSCs to produce defined cell types depending of their spatial location in the SVZ and identified HOPX as a marker of a subpopulation biased to generate astrocytes. Objective 2: I established a cortical lesion model, which allowed the targeted ablation of neurons of defined cortical layers to investigate the regenerative capacity and appropriate specification of postnatal cortical progenitors. Quantitative assessment of surrounding brain regions, including the dorsal SVZ, revealed a transient response of defined progenitor populations. Objective 3: We developed a transgenic mouse line, i.e. Neurog2CreERT2Ai14, which allowed the conditional labeling of birth-dated cohorts of glutamatergic progenitors and their progeny. We used fate-mapping approaches to show that a large fraction of Glu progenitors persist in the postnatal forebrain after closure of the cortical neurogenesis period. Postnatal Glu progenitors do not accumulate during embryonal development but are produced by embryonal RGs that persist after birth in the dorsal SVZ and continue to give rise to cortical neurons, although with low efficiency. Single-cell RNA sequencing revealed a dysregulation of transcriptional programs, which correlates with the gradual decline in cortical neurogenesis observed in vivo. Altogether, these data highlight the potential of transcriptomic studies to unravel but also to approach fundamental questions such as transcriptional changes occurring in a population of progenitors over time and participating to changes in their fate potential. This knowledge will be key in developing innovative approaches to recruit and promote the generation of selected cell types, including neuronal subtypes in pathologies.

Le glufosinate d’ammonium (GLA) est un herbicide organophosphoré couramment utilisé en agriculture. De nombreux cas d’ingestions intentionnelles ont mis en évidence sa neurotoxicité. Cependant, ses effets sur le neurodéveloppement ne sont peu étudiés. En effet, le cerveau est une cible importante du GLA en raison de son homologie de structure avec le glutamate, principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central. Des résultats précédents du laboratoire ont permis de montrer qu’une exposition périnatale à de faibles doses de GLA induisait des perturbations de la neurogenèse et de la migration des neuroblastes au niveau de la zone sous ventriculaire vers les bulbes olfactifs. Ces modifications sont associées à l’apparition de troubles du spectre autistique dans la descendance. Ma thèse s’inscrit dans la continuité de ses travaux en abordant les aspects cellulaires et moléculaires mis en jeux lors d’une exposition précoce au GLA. Etant donné que dans la vie de tous les jours, nous sommes continuellement exposés aux pesticides mais également à leurs métabolites, j’ai étudié en parallèle les effets du principal métabolite du GLA, l’acide 4-méthylphosphinyl-2-oxo-butanoïque (PPO).Le premier travail de ma thèse a été de développer un protocole in vitro de culture primaire de cellules souches neurales issues de la zone sous-ventriculaire de souris pour l’analyse des effets neurotoxiques du GLA et du PPO. Les résultats de la première étude de ma thèse montrent une induction d’un stress oxydatif lié impliquant le système glutamatergique et associé à une perturbation de l’homéostasie calcique. Etant donné que les cellules souches neurales sont sensibles aux effets d’un stress oxydatif, dans une seconde étude, j’ai étudié l’impact de ces effets sur les mécanismes de différenciation cellulaire des cellules souches neurales. Mes résultats indiquent un effet significatif d’une exposition au GLA et au PPO sur la formation et le maintien de la niche neurogénique sous-ventriculaire in vitro. Le GLA et le PPO interfèrent avec la formation de l’épithélium épendymaire et induisent une perturbation dans la différenciation neurogliale des cellules souches neurales, sans influencer leur capacité de croissance ou de prolifération.L’ensemble des données de cette thèse mettent l’accent sur l’intérêt d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires liés à la neurotoxicité des substances actives des pesticides, des métabolites de ces mêmes pesticides, mais également des mélanges substances actives-métabolites auxquels nous sommes continuellement exposés dans notre environnement. / The glufosinate-ammonium (GLA) is an organophosphorus herbicide commonly used in agriculture. Many cases of intentional ingestions have highlighted its neurotoxicity. However, its effects on neurodevelopment are not well studied. Indeed, the brain is an important target of GLA due to its structural homology with glutamate, the main excitatory neurotransmitter of the central nervous system. Our previous data are shown that a perinatal exposure to low doses of GLA induces disturbances in neurogenesis and in neuroblasts migration from the subventricular zone to the olfactory bulbs. These changes are associated with the development of autism spectrum disorders in the offspring. My thesis is in the continuity of his work and addresses the cellular and molecular aspects involved in early exposure to GLA. Since we are continuously exposed to pesticides, but also to their metabolites, I studied in parallel the effects of the main metabolite of GLA, the 4 methylphosphinyl-2-oxo-butanoic acid (PPO).The first work of my thesis was to develop an in vitro protocol for the primary culture of neural stem cells from the subventricular zone of mice, for the analysis of the neurotoxic effects of GLA and PPO. The results of the first study of my thesis showed an induction of related oxidative stress involving the glutamatergic system, and associated with a disruption of calcium homeostasis. Since neural stem cells are sensitive to the effects of oxidative stress, in a second study, I studied the impact of these effects on the cellular differentiation mechanisms of neural stem cells. My results indicated a significant effect of exposure to GLA and PPO on the formation and maintenance of the subventricular neurogenic niche in vitro. GLA and PPO interfere with the formation of ependyma and induce a disruption in the neuroglial differentiation of neural stem cells, without influencing their growth or proliferation capacity.All these data highlight on the interest of studying the cellular and molecular mechanisms linked to the neurotoxicity of the active substances of pesticides, the metabolites of these same pesticides, but also the mixtures of active substances and metabolites to which we are continuously exposed in our environment.

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