Neurogenèse et cellules souches neurales

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Origine embryonnaire des CSN adultes

Le cerveau est principalement constitué de neurones et de cellules gliales (astrocytes – oligodendrocytes – cellules de Schwann – microglie). Les neurones sont des cellules excitables chargées d’acheminer et de traiter l’information sous forme de dépolarisations électriques le long de leur membrane. Les cellules gliales sont quant à elles des cellules de soutien indispensables à la survie des neurones en assurant l’isolement physique et électrique des tissus nerveux, les fonctions métaboliques, le soutien squelettique et leur protection vis-à-vis des corps étrangers en cas de lésions. Elles jouent également un rôle trophique nécessaire au fonctionnement normal du cerveau. Alors que les neurones et les cellules gliales ont longtemps été considérés comme deux entités cellulaires distinctes qui divergent tôt au cours du développement embryonnaire, des études récentes montrent que les CSN adultes dérivent de cellules de la glie radiaire situées autour des ventricules dans le cerveau embryonnaire (Gaiano et al., 2000; Haubensak et al., 2004; Merkle et al., 2004; Noctor et al., 2004; Noctor et al., 2007).

Les cellules de la glie radiaire, élément central de la neurogenèse embryonnaire

Au cours du développement embryonnaire, des milliards de neurones sont créés à partir d’un feuillet primitif pseudo-stratifié, le neurectoderme. Celui-ci est composé d’une couche de cellules neuroépithéliales, correspondant à la zone ventriculaire (ZV), dont le nombre est rapidement amplifié par divisions symétriques pour former la plaque neurale (Rakic, 1988). Le début de la neurogenèse embryonnaire à proprement parler débute à partir du 10ème jour du développement embryonnaire (E10) chez la souris avec la différenciation des cellules neuroépithéliales en cellules de la glie radiaire par division asymétrique (Martynoga et al., 2012). Ces dernières génèrent alors directement un neurone ou produisent des précurseurs intermédiaires qui vont proliférer au niveau de la ZSV avant de se différencier en neurones (Haubensak et al., 2004; Noctor et al., 2004; Noctor et al., 2007). Les cellules de la glie radiaire possèdent un cil primaire en contact avec le liquide céphalorachidien à la surface du ventricule et projettent de l’autre côté un long prolongement vers la surface piale (Gadisseux et al., 1989). Ces prolongements servent de support à la migration radiale des neurones immatures, d’abord dans les couches profondes (E11-E13) et ensuite dans les couches superficielles corticales (E14-E16) (Angevine and Sidman, 1961; Berry and Rogers, 1965; Sidman and Rakic, 1973). Les astrocytes sont produits dans un second temps à partir de E16 jusqu’aux premières semaines de développement postnatal chez la souris. Le troisième type cellulaire majeur du système nerveux – les oligodendrocytes – est exclusivement produit pendant la période post-natale (Sauvageot and Stiles, 2002; Bayraktar et al., 2015). Les cellules de la glie radiaire disparaissent quelques jours après la naissance en se différenciant en cellules épendymaires et en astrocytes pour respectivement former la paroi ventriculaire et la ZSV (Culican et al., 1990; Spassky et al., 2005; Noctor et al., 2008) (Figure 2). Les cellules de la glie radiaire sont également à l’origine d’un échafaudage glial qui se forme progressivement à distance de la ZV et sur lequel les cellules progénitrices migrent pour former la seconde zone neurogénique du cerveau adulte, le GD de l’hippocampe (Hodge et al., 2013; Urban and Guillemot, 2014).

Des cellules de la glie radiaire embryonnaire aux cellules souches neurales adultes

L’existence d’une neurogenèse postnatale suggère un continuum entre le cerveau embryonnaire et adulte. La découverte de CSN au niveau de la ZSV adulte possédant un cil primaire en contact avec le ventricule et exprimant une protéine spécifique des cellules gliales, la GFAP (glial fibrillary acidic protein), suggéra une éventuelle filiation entre les cellules de la glie radiaire embryonnaire et les CSN adultes (Doetsch et al., 1997; Tramontin et al., 2003).
Traçant le devenir des cellules neuroépithéliales de la ZV infectées à E9.5 avec un vecteur rétroviral portant le gène Notch1, l’équipe de Gord Fishell montra qu’après s’être différenciées en cellules de la glie radiaire, elles se retrouvaient le long de la ZSV et exprimaient la GFAP à l’âge adulte (Gaiano et al., 2000), deux caractéristiques des CSN adultes qui avaient été démontrées peu de temps auparavant (Doetsch et al., 1999a). L’équipe d’Alvarez-Buylla a ensuite spécifiquement marqué les cellules de la glie radiaire en période néonatale (P0) par injection d’un adénovirus au niveau de leurs prolongements corticaux afin de suivre directement leur progénie (Merkle et al., 2004).
Quelques jours après injection, le gène rapporteur était retrouvé dans des cellules GFAP+ le long de la ZSV. De plus, des neuroblastes marqués étaient observés à l’âge adulte dans le chemin de migration rostrale (RMS) et des neurones marqués se trouvaient dans le bulbe olfactif (Merkle et al., 2004). Ces travaux suggérèrent que les cellules souches de la ZSV adulte appartenaient au lignage cellules neuroépithéliales – cellules de la glie radiaire – CSN adultes (Alvarez-Buylla et al., 2001; Bonfanti and Peretto, 2007) (Figure 2). Deux études récentes ont par ailleurs montré que les CSN adultes sont dérivées de cellules de la glie radiaire embryonnaire qui ralentissent leur cycle cellulaire au cours du développement foetal entre E13.5 et E15.5 puis restent relativement quiescentes jusqu’à être réactivées dans le cerveau post-natal (Fuentealba et al., 2015; Furutachi et al., 2015).
L’origine des CSN d’une autre zone neurogénique du cerveau adulte, le GD, n’est pour l’heure pas totalement définie. Bien qu’il soit supposé qu’elles se forment à partir des cellules de la glie radiaire composant les échafaudages gliaux mis en place lors de la formation du GD, il n’existe pas de démonstration par traçage génétique que ces échafaudages représentent un seul et même lignage continu de glie radiaire menant à la formation des CSN adultes dans l’hippocampe (Xu et al., 2015). Il semblerait toutefois que les CSN se relocaliseraient de la partie ventrale à la partie dorsale de l’hippocampe à l’âge adulte dans la zone sous-granulaire (Li et al., 2013).
La neurogenèse embryonnaire débute par la différenciation des cellules neuroépithéliales en cellules de la glie radiaire qui projettent de longs appendices perpendiculairement à la surface ventriculaire en direction de la surface corticale. Ces dernières donnent alors naissance à des progéniteurs intermédiaires et à des neurones. Les progéniteurs nerveux migrent ensuite sur les appendices des cellules de la glie radiaire et passent de la zone ventriculaire (VZ) à la zone marginale (MZ) du plateau cortical. La neurogenèse laisse la place à une gliogenèse à partir de E16, donnant naissance aux astrocytes et oligodendrocytes. Après la naissance, les cellules de la glie radiaire se différencient en cellules épendymaires le long des ventricules et en cellules souches neurales dans la zone sous-ventriculaire. MZ, zone marginale ; MA : couches corticales ; VZ, zone ventriculaire; SVZ : zone sous-ventriculaire. Schéma de (Kriegstein and Alvarez-Buylla, 2009).

Régionalisation embryonnaire des principales zones neurogéniques adultes

Les cellules de la glie radiaire sont réparties à travers le neuroépithélium en 4 régions qui se distinguent selon un axe dorso-ventral : le pallium, l’éminence ganglionnaire latérale (LGE), l’éminence ganglionnaire médiane (MGE) et le septum (Fiorelli et al., 2015). La majorité des CSN de la région latérale de la ZSV adulte provient des cellules de la glie radiaire embryonnaire de la LGE et de la MGE (Kriegstein and Alvarez-Buylla, 2009). Les cellules de la glie radiaire du pallium et du septum génèrent également une partie des CSN adultes des murs dorsal et médian, respectivement (Ventura and Goldman, 2007; Alvarez-Buylla et al., 2008) (Figure 3). Le GD est quant à lui spécifié à partir de la partie médiane du pallium au niveau de l’ourlet cortical (ou cortical hem) (Urban and Guillemot, 2014).
Figure 3 : Régionalisation embryonnaire des CSN de la ZSV adulte
Les cellules bordant les ventricules à l’âge adulte sont issues de 4 régions distinctes au cours du développement embryonnaire : le septum, le pallium, les éminences ganglionnaires latérales (LGE) et les éminences ganglionnaires médianes (MGE). Adapté de (Fiorelli et al., 2015).

Neurogenèse adulte

Il existe deux foyers principaux de neurogenèse dans le cerveau adulte : la zone sous-granulaire (ZSG) du GD, et la zone sous-ventriculaire (ZSV) qui longe les ventricules latéraux (Figure 4). On y trouve des CSN qui sont responsables du renouvellement neuronal dans l’hippocampe à partir de la ZSG et dans le bulbe olfactif à partir de la ZSV.
Il est important de noter que la neurogenèse adulte ne se limite pas exclusivement à la ZSV et la ZSG (pour revue (Gould, 2007; Migaud et al., 2010). En effet, la production de nouveaux neurones a été décrite, y compris chez l’Homme, dans le striatum (Bedard et al., 2002; Ernst et al., 2014), le néocortex (Gould et al., 1999; Dayer et al., 2005), la substance noire (Zhao et al., 2003), le cortex piriforme (Bernier et al., 2002), l’amygdale (Bernier et al., 2002), le complexe vagal dorsal (Bauer et al., 2005) et l’hypothalamus (Kokoeva et al., 2005; Xu et al., 2005). Ces données restent toutefois sujettes à controverse quant à l’existence réelle d’une neurogenèse en conditions physiologiques dans ces zones (Gould, 2007).
Figure 4 : Localisation des deux principales zones de neurogenèse adulte dans le cerveau murin
Coupe sagittale du cerveau murin présentant la zone sous-ventriculaire (ZSV) et la zone sous-granulaire (ZSG) du gyrus dentelé de l’hippocampe. Adapté de (Ernst and Frisen, 2015).

La neurogenèse hippocampique de la zone sous-granulaire

Chez les rongeurs adultes, environ 9 000 nouveaux neurones sont générés chaque jour dans l’hippocampe, soit l’équivalent d’un renouvellement cellulaire de 6% chaque mois (Cameron and McKay, 2001). L’hippocampe est au centre d’un réseau neuronal complexe qui le maintient en contact avec de nombreuses structures cérébrales tels que le thalamus et l’amygdale. Il fait également partie du système limbique qui joue un rôle central dans la mémoire et les émotions. L’hippocampe est de fait impliqué dans la consolidation de l’information, la mémoire à court et long-terme ainsi que la navigation spatiale. Il joue également un rôle dans le contrôle du stress et de l’anxiété (Rolando and Taylor, 2014). Chez les mammifères adultes, la neurogenèse hippocampique se limite à la zone sous-granulaire du GD.

La formation hippocampique

L’hippocampe est une structure incurvée qui s’étend sous la surface corticale dans la partie postérieure du cerveau (Figure 5.A). Structurellement, il est formé de deux structures principales : la corne d’Ammon (CA) subdivisée en trois sous-régions (CA1, CA2 et CA3), et le GD (Figure 5.B). Ce dernier est composé de trois couches distinctes : la couche moléculaire, la couche granulaire et le hile. La couche granulaire est principalement composée de cellules excitatrices, dites granulaires, agrégées les unes aux autres. Leurs dendrites apicales arborisent la couche moléculaire, relativement pauvre en corps cellulaire. Leurs axones s’étendent vers le hile et forment la fibre moussue en direction de la région CA3 de la corne d’Ammon (Amaral et al., 2007) (Figure 5.C). Cette structure particulière place l’hippocampe au centre d’un vaste réseau neuronal appelé formation hippocampique qui forme un circuit tri-synaptique et unidirectionnel. L’entrée de l’information dans cette boucle se fait par les axones du cortex entorhinal, appelés voie perforante, sur les cellules granulaires du GD (Ramón y Cajal, 1893). Ces dernières projettent leurs dendrites sur les cellules de la région CA3 par la voie des fibres moussues, qui transmet le signal vers la région CA1 par les collatérales de Schaffer. Finalement, les axones des cellules de CA1 projettent vers le subiculum qui contacte en retour le cortex entorhinal, formant ainsi une boucle anatomique (Amaral et al., 2007).
Figure 5 : Organisation de l’hippocampe
A. Localisation de l’hippocampe dans le cerveau adulte murin. B. Section coronale de la partie antérieure de l’hippocampe montrant sa structure et sa place parmi les autres structures cérébrales. Les subdivisions CA3 et CA1 de la corne d’Ammon et le gyrus dentelé (GD) sont indiqués. C. Représentation schématique de la formation hippocampique qui forme une boucle tri-synaptique fermée entre le cortex entorhinal, le gyrus dentelé, et la corne d’Ammon (CA3 et CA1).

Neurogenèse de la zone sous-granulaire

La neurogenèse adulte dans l’hippocampe est initiée par la prolifération de CSN adultes (type 1) au niveau de la zone sous-granulaire située à l’interface de la couche granulaire et du hile du GD (Figure 6) (Ming and Song, 2011). Celles-ci se divisent asymétriquement et génèrent des progéniteurs intermédiaires (type 2) qui se différencient à leur tour en neuroblastes (type 3). Ces précurseurs neuronaux vont majoritairement se différencier en cellules granulaires et dans une moindre mesure en cellules gliales (Steiner et al., 2004). Le passage d’une cellule progénitrice à un neurone mature fonctionnellement intégré au sein des réseaux neuronaux préexistants de l’hippocampe se fait au terme d’un long processus de maturation qui s’étend sur plusieurs semaines (Esposito et al., 2005). Au cours de la première semaine, les cellules progénitrices devenues neuroblastes puis neurones immatures migrent sur une courte distance et s’intègrent au niveau de la couche granulaire adjacente (Kempermann et al., 2003; Esposito et al., 2005). Les jeunes neurones commencent alors à développer des prolongements dendritiques apicaux et étendent des axones le long des zones de projection des fibres moussues (Hastings and Gould, 1999). Une grande majorité des nouveaux neurones seront éliminés par apoptose (Sierra et al., 2010). Au cours de la deuxième et troisième semaine, les jeunes neurones établissent des connexions afférentes et efférentes avec le réseau neuronal local : les dendrites se ramifient dans la couche moléculaire et forment des synapses avec les fibres d’axones venant du cortex entorhinal (Zhao et al., 2006) tandis les axones atteignent la couche des cellules pyramidales de la région CA3 (Toni et al., 2008). La maturation électrophysiologique et l’intégration fonctionnelle des neurones sont initiées par l’acide γ-aminobutyrique (ou GABA) sécrété dans le milieu extracellulaire par les interneurones présents localement puis par la mise en place d’afférences synaptiques GABAergiques (en provenance des interneurones locaux) et glutamatergiques (en provenance de la voie perforante) (Ge et al., 2008). La maturation des jeunes neurones s’achève environ 2 mois après leur naissance. Leurs propriétés physiologiques et leur plasticité synaptique sont alors similaires à celles des cellules granulaires matures voisines (Ge et al., 2008).
Les cellules souches neurales (type I) sont des cellules radiales situées dans la zone sous-granulaire du gyrus dentelé à l’origine de nouveaux neurones granulaires matures qui s’intègrent dans la couche granulaire. Le passage d’une cellule progénitrice à un neurone mature fonctionnellement intégré au sein des réseaux neuronaux préexistants se fait au terme d’un long processus de maturation qui s’étend sur plusieurs semaines. Adapté de (Aimone et al., 2014).

La neurogenèse bulbaire de la zone sous-ventriculaire

Le bulbe olfactif reçoit un apport journalier de plusieurs milliers de nouveaux interneurones chez les jeunes souris adultes. La source de cette neurogenèse se situe à plusieurs millimètres de distance au niveau de la ZSV qui s’étend le long des ventricules latéraux et qui concentre la grande majorité des cellules en prolifération du cerveau adulte murin. Ce flux constant de nouveaux neurones apparait essentiel pour des tâches liées à la discrimination, l’apprentissage et la mémorisation des odeurs (Lazarini and Lledo, 2011). De plus, il semblerait impliqué dans le contrôle des comportements liés aux phéromones, comme l’accouplement (Mak et al., 2007) et la reconnaissance parents-enfants chez la souris, bien que des résultats contradictoires aient été rapportés sur ce dernier point (Feierstein et al., 2010; Mak and Weiss, 2010).

De la zone sous-ventriculaire au bulbe olfactif

Le mur du ventricule latéral abrite la ZSV où sont nichées des cellules de type astrocytaire exprimant la GFAP (Doetsch et al., 1997). Ces cellules de type B1 jouant le rôle de CSN adultes (Doetsch et al., 1999b), prolifèrent lentement et donnent naissance aux cellules progénitrices d’amplification transitoire hautement proliférantes (type C) qui se différencient à leur tour en neuroblastes (type A) (Lois and Alvarez-Buylla, 1994) (Figure 7.A). Ces neuroblastes se regroupent dans la partie antérieure de la ZSV, et migrent le long du chemin de migration rostrale (RMS) formé d’une gaine de cellules astrocytaires en direction du bulbe olfactif qu’ils atteignent en 2 à 7 jours (Lois et al., 1996; Petreanu and Alvarez-Buylla, 2002). Il est estimé qu’environ 30 000 neuroblastes sont produits quotidiennement au niveau de la ZSV et empruntent le RMS chez la souris (Lois and Alvarez-Buylla, 1994). Une fois dans le bulbe olfactif, les neuroblastes migrent radialement dans les différentes couches (jours 5-7) et se différencient en interneurones granulaires (95%) et périglomérulaires (environ 3%) qui seront matures après 15 à 30 jours (Petreanu and Alvarez-Buylla, 2002; Lazarini and Lledo, 2011) (Figure 7.B). Bien que des milliers de neurones soient générés tous les jours, seule une faible proportion d’entre eux s’intègre durablement dans le circuit neuronal préexistant. Il est ainsi estimé que seulement 50% des cellules granulaires nouvellement formées survivent après 45 jours (Petreanu and Alvarez-Buylla, 2002).

Table des matières

INTRODUCTION
1. Neurogenèse et cellules souches neurales
1.1 Historique de la neurogenèse adulte
1.2 Les cellules souches neurales
1.2.1 Les cellules souches : une définition
1.2.2 Découverte des cellules souches neurales
1.2.3 Origine embryonnaire des CSN adultes
a. Les cellules de la glie radiaire, élément central de la neurogenèse embryonnaire
b. Des cellules de la glie radiaire embryonnaire aux cellules souches neurales adultes
c. Régionalisation embryonnaire des principales zones neurogéniques adultes
2. Neurogenèse adulte
2.1 La neurogenèse hippocampique de la zone sous-granulaire
2.1.1 La formation hippocampique
2.1.2 Neurogenèse de la zone sous-granulaire
2.2 La neurogenèse bulbaire de la zone sous-ventriculaire
2.2.1 De la zone sous-ventriculaire au bulbe olfactif
2.2.2 Diversité et régionalisation des neurones générés au niveau du bulbe olfactif
2.2.3 Présence d’une neurogenèse sous-ventriculaire chez l’Homme
2.2.4 Organisation cellulaire de la niche sous-ventriculaire adulte chez la souris
2.2.5 Une structure en rosace en contact avec le microenvironnement
2.3 Les CSN quiescentes, réservoir de la neurogenèse adulte
2.3.1 Homéostasie tissulaire et quiescence
2.3.2 Identification de cellules souches quiescentes dans les tissus adultes
3. Modulation des phases précoces de la neurogenèse adulte
3.1 L’accident vasculaire cérébral ischémique
3.2 Effet de l’exercice et de l’enrichissement de l’environnement
3.3 Reprise de la neurogenèse après un stress génotoxique
3.4 Modulation pharmacologique de l’état dépressif
3.5 Evolution avec l’âge des niches neurogéniques
4. Régulation moléculaire de la neurogenèse adulte
4.1 Facteurs intrinsèques
4.1.1 Contrôle du cycle cellulaire
4.1.2 Régulateurs transcriptionnels
4.1.3 Modifications épigénétiques
4.2 Facteurs extrinsèques
4.2.1 Régulation par les facteurs de croissance
a. EGF et FGF-2
b. PEDF
c. VEGF-C
d. IGF-I/II
4.2.2 Modulation par les neurotransmetteurs
a. Signaux GABAergiques
b. Signaux sérotoninergiques
c. Régulation par les morphogènes
4.2.3 Modulation par la niche
a. Matrice extracellulaire et fractones
b. Ephrine
c. Cadhérine
OBJECTIFS
RESULTATS
ARTICLE 1 Cell sorting of neural stem and progenitor cells from the adult mouse subventricular zone and live-imaging of their cell cycle dynamics
ARTICLE 2 TGFβ lengthens the G1 phase of stem cells in aged mouse brain
ARTICLE 3 Age-related neurogenesis decline in the subventricular zone is associated with specific cell cycle regulation changes in activated neural stem cells
ARTICLE 4 Gene profiling analysis of quiescent and activated neural stem cells from the adult mouse subventricular zone
DISCUSSION
1. Le tri cellulaire comme outil d’étude de la neurogenèse adulte
1.1 Vers l’identification et la purification des CSN adultes
1.2 Purification des CSN quiescentes, des CSN activées et de la progénie neurale
1.3 Hétérogénéité cellulaire des populations neurogéniques triées
2. Les CSN, entre quiescence et activation
2.1 Caractérisation fonctionnelle des CSN quiescentes
2.2 La quiescence, un état cellulaire dynamique
3. Le vieillissement comme modèle d’étude des mécanismes régulant la neurogenèse adulte
3.1 Acquisition d’un phénotype quiescent au cours du vieillissement
3.2 Le microenvironnement, acteur majeur du vieillissement de la ZSV
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Bibliographie
Résumé

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