Διερεύνηση των μηχανισμών αυτο-ανανέωσης και καθορισμού της μοίρας των νευρικών βλαστικών κυττάρων που απαρτίζουν την ενήλικη νευρογενετική φωλεά της υποκοιλιακής ζώνης

Abstract

The subventricular zone is the largest germinal niche in the adult mammalian brain. It is located on the walls of the lateral ventricles and contains large numbers of neural stem cells. These primary progenitors give rise to transit amplifying progenitors which predominantly generate neuroblasts. Another critical cellular component of the niche is the population of postmitotic multiciliated ependymal cells, as they form pinwheel structures around the neural stem cells and establish the cytoarchitecture of the niche. Multiciliated ependymal cells carry multiple motile cilia on their apical surface to propel the cerebrospinal fluid and provide multiple regulatory cues for the generation of neurons within the adult brain. The establishment and proper function of the subventricular zone niche require a strict balance between cellular proliferation and differentiation. Recent studies from our research group have highlighted the important role of Geminin family member, namely Geminin, GemC1/Lynkeas and McIdas, which are implicated both in cell cycle control and differentiation. Here we show that Geminin is an important regulator for the lineage progression of the adult neural stem cells towards their progeny, as its conditional inactivation from adult neural stem cells results in reduced levels of neurogenesis in mice. More specifically, we propose that Geminin deletion affects the balance between self-renewal and differentiating divisions, thus resulting in reduced numbers of transit amplifying progenitors and neuroblasts in the subventricular zone. Moreover, the absence of Geminin led to increased generation of oligodendrocytes, indicating that it also plays a role in the cell fate choice of neural stem cells. GemC1/Lynkeas deficiency also affects adult neurogenesis, albeit in a different way. Loss of GemC1/Lynkeas impedes the commitment to the ependymal lineage, thus resulting in the complete absence of multiciliated ependymal cells. GemC1/Lynkeas-deficient mice display severe disruption in the niche cytoarchitecture and develop congenital hydrocephalus postnatally. Regarding the molecular mechanism via which GemC1/Lynkeas governs the generation of multiciliated ependymal cells, we propose that GemC1/Lynkeas not only regulates the transcriptional activation of p73, but also co-operates with p73 and E2F5 to regulate its transcription. We also provide in vivo evidence that GemC1/Lynkeas is the most upstream regulator in the ependymal differentiation program, as it is sufficient and necessary for p73 expression, whereas p73 cannot compensate for GemC1/Lynkeas loss. Together, these findings suggest that Geminin is important for the lineage progression of adult neural stem cells in the subventricular zone and neurogenesis. On the other hand, GemC1/Lynkeas is essential for the generation of multiciliated ependymal cells and controls the molecular pathway of multiciliogenesis in the brain, with implications for the pathogenesis of congenital hydrocephalus. Our study assigns Geminin family members with a role in regulating the cell fate decisions of neural stem cells.

Η υποκοιλιακή ζώνη αποτελεί τη μεγαλύτερη νευρογενετική φωλεά στον ενήλικο εγκέφαλο των θηλαστικών. Εντοπίζεται στα τοιχώματα των πλάγιων κοιλιών και περιέχει μεγάλο αριθμό νευρικών βλαστικών κυττάρων. Τα κύτταρα αυτά δίνουν γένεση σε πληθυσμούς ταχέως διαιρούμενων κυττάρων τα οποία στη συνέχεια διαφοροποιούνται κατά κύριο λόγο σε νευρώνες. Ένα άλλο πολύ σημαντικό κυτταρικό συστατικό της υποκοιλιακής ζώνης είναι τα πολυκροσσωτά επενδυματικά κύτταρα, τα οποία σχηματίζουν δομές ροζέτας γύρω από τα νευρικά βλαστικά κύτταρα και εγκαθιδρύουν την αρχιτεκτονική της φωλεάς. Τα πολυκροσσωτά επενδυματικά κύτταρα φέρουν στην επιφάνειά τους πολλαπλούς κινούμενους κροσσούς οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη διακίνηση του εγκεφαλονωτιαίου υγρού και συμμετέχουν στη ρύθμιση της νευρογένεσης στον ενήλικο εγκέφαλο. Για την εγκαθίδρυση και φυσιολογική λειτουργία της υποκοιλιακής ζώνης είναι απαραίτητος ο αυστηρός έλεγχος των διαδικασιών κυτταρικού πολλαπλασιασμού και διαφοροποίησης. Πρόσφατες μελέτες του εργαστηρίου μας έχουν αναδείξει το σημαντικό ρόλο των μελών της οικογένειας της Geminin, η οποία αποτελείται από τις πρωτεΐνες Geminin, GemC1/Lynkeas και McIdas , τόσο στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου όσο και στην κυτταρική διαφοροποίηση. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής υποστηρίζουν ότι η πρωτεΐνη Geminin παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία διαφοροποίησης των νευρικών βλαστικών κυττάρων, καθώς η ιστοειδική της αποσιώπηση από τα ενήλικα νευρικά βλαστικά κύτταρα μυών οδηγεί σε μειωμένα επίπεδα νευρογένεσης. Πιο συγκεκριμένα, τα δεδομένα μας προτείνουν ότι η απουσία της Geminin επηρεάζει την αναλογία μεταξύ διαιρέσεων αυτο-ανανέωσης και διαφοροποίησης, οδηγώντας σε μειωμένο αριθμό ταχέως διαιρούμενων κυττάρων και νευροβλαστών στην υποκοιλιακή ζώνη. Επιπρόσθετα, η απουσία της Geminin οδήγησε σε αυξημένη παραγωγή ολιγοδενδροκυττάρων, προτείνοντας ότι παίζει ρόλο και στις αποφάσεις της μοίρας διαφοροποίησης των νευρικών βλαστικών κυττάρων του εγκεφάλου. Ακόμα, τα αποτελέσματα μας προτείνουν ότι και η πρωτεΐνη GemC1/Lynkeas επηρεάζει τη διεξαγωγή της νευρογένεσης, αλλά με διαφορετικό τρόπο. Η απαλοιφή του GemC1/Lynkeas παρεμποδίζει τον καθορισμό των προγονικών κυττάρων προς την επενδυματική μοίρα με αποτέλεσμα να απουσιάζουν πλήρως τα πολυκροσσωτά επενδυματικά κύτταρα. Οι ελλειμματικοί για τον παράγοντα GemC1/Lynkeas μύες παρουσιάζουν αποδιοργάνωση της φωλεάς και εμφανίζουν υδροκεφαλία λίγο μετά τη γέννηση. Όσον αφορά στο μοριακό μηχανισμό που ελέγχει τη δημιουργία των πολυκροσσωτών επενδυματικών κυττάρων, τα αποτελέσματα μας προτείνουν ότι ο GemC1/Lynkeas όχι μόνο ελέγχει μεταγραφικά τον παράγοντα p73, αλλά συνεργάζεται με αυτόν και τον E2F5 για να πραγματοποιήσει τη μεταγραφική του ρύθμιση. Επίσης, προτείνουμε ότι ο GemC1/Lynkeas βρίσκεται στην κορυφή του προγράμματος διαφοροποίησης των επενδυματικών κυττάρων, καθώς είναι επαρκής και απαραίτητος για την έκφραση του p73 in vivo, ενώ η έκφραση του p73 δεν αρκεί για να αντισταθμίσει την απουσία του GemC1/Lynkeas σε σχέση με τη δημιουργία επενδυματικών κυττάρων. Συνοψίζοντας, τα ευρήματα της παρούσας διατριβής προτείνουν ότι η Geminin είναι σημαντική για τις αποφάσεις διαφοροποίησης των ενήλικων νευρικών βλαστικών κυττάρων στην υποκοιλιακή ζώνη και κατ’ επέκταση για τη διεξαγωγή της νευρογένεσης. Από την άλλη, η πρωτεΐνη GemC1/Lynkeas είναι απαραίτητη για τη δημιουργία των πολυκροσσωτών επενδυματικών κυττάρων και ελέγχει το μοριακό μονοπάτι που οδηγεί στη δημιουργία τους, με πιθανή συμμετοχή στον παθογενετικό μηχανισμό που οδηγεί στην εμφάνιση υδροκεφαλίας. Τα αποτελέσματά μας επομένως προσδίδουν στα μέλη της οικογένειας πρωτεϊνών της Geminin ένα φυσιολογικό ρόλο στις αποφάσεις καθορισμού της μοίρας των νευρικών βλαστικών κυττάρων.