A new role for CDKN1C in the control of the transition of the mode of division during vertebrate neurogenesis
Un nouveau rôle de CDKN1C dans le contrôle de la transition des modes de division au cours de la neurogenèse des vertébrés
Résumé
The vertebrate central nervous system (CNS) is produced from a limited reservoir of neuroepithelial stem cells, which initially amplify through symmetric proliferative divisions (SYM) in which one progenitor produces two progenitors. Progressively, progenitors engage in an asymmetric neurogenic mode of division (ASYM), producing one progenitor and one neuron. Finally, symmetric terminal divisions (TERM) produce two neurons. The fine regulation of these division patterns is crucial for proper brain development, and alteration of these processes can lead to excessive proliferation or, conversely, generate early differentiation into neurons. In the developing CNS, SYM, ASYM and TERM modes of division appear in a sequential order within cell clones, indicating that transitions between modes of division are definitive, and correspond to compartmentalized cell states. Moreover, some pioneering works have shown that SYM and ASYM progenitors differ at the molecular level, notably at the transcriptomic level, suggesting that this transition from SYM to ASYM is under a specific genetic control. For example, the expression of the transcription factor Tis21 begins in neural progenitors during the transition from a proliferative to a neurogenic mode of division. My thesis project aimed at identifying new actors and regulators of the SYM to ASYM transition, at the border between proliferation and differentiation, and to functionally validate the role of these candidates in the regulation of this transition. Through the analysis of single-cell RNA-seq data from neural tubes of developing chick and mouse embryos, I identified in partnership with a team of bioinformaticians (Morgane Thomas-Chollier, Nathalie Lehmann, IBENS) several candidate genes in the regulation of the transition of the mode of division, according to 2 criteria: 1) a differential gene expression between Tis21-positive and negative progenitors and 2) a pseudo-temporal expression profile similar to the one of Tis21 during neurogenesis. Among these genes, I focused on the study of CDKN1C (p57Kip2) which until now had been described mainly as a negative regulator of the cell cycle. My work showed the progressive expression of CDKN1C mRNA in the ventral region of the developing chick embryonic neural tube, strongly suggesting the expression of CDKN1C in progenitors. I also showed that in vivo loss of function of CDKN1C (via shRNA) unfavors neurogenesis at the tissue level, and promotes neural progenitor proliferation. Exploration of this phenotype showed that progenitors with decreased CDKN1C expression have a shorter cell cycle duration on average, notably due to a reduction in the duration of the G1 phase, compared to wild-type progenitors. Through clonal analysis of the progenitors’ progeny, I then showed that decreased CDKN1C expression in progenitors favoured the SYM mode of division. Finally, in order to determine whether the effect of CDKN1C on the mode of division was dependent on its role in the cell cycle, I sought to counterbalance the decrease in G1 duration observed upon CDKN1C loss-of-function. To do so, I decreased the expression of Cyclin D1 in order to lengthen the duration of G1. The combined loss of function of CDKN1C and Cyclin D1 shows an almost complete rescue of the phenotype generated by the decrease in CDKN1C alone, at both the tissue and cellular levels, indicating that the role of CDKN1C in controlling the division mode seems to be directed mainly through its role as a negative regulator of the cell cycle. Overall, my project suggests a novel role for CDKN1C in the regulation of the SYM-ASYM transition, and contributes to elucidate the fundamental mechanisms that regulate this transition and thus the balance between proliferation and differentiation in neural progenitors during neurogenesis.
Le système nerveux central des vertébrés est constitué d’un assemblage complexe de nombreux types cellulaires, qui se développent à partir d’un réservoir limité de cellules souches neuroépithéliales. Pendant la neurogenèse, la transition progressive du mode de division des cellules progénitrices de symétrique prolifératif (SYM - produisant deux progéniteurs) vers asymétrique neurogénique (ASYM - produisant un neurone et un progéniteur) contrôle l’équilibre entre croissance et différenciation. Certains travaux pionniers ont montré que les progéniteurs SYM et ASYM diffèrent au niveau transcriptomique, suggérant que cette transition de SYM vers ASYM est placée sous un contrôle génétique spécifique. Par exemple, l’expression du facteur de transcription Tis21 est initiée dans les progéniteurs neuraux lors de la transition d’un mode de division SYM vers ASYM. Mon projet de thèse a eu pour objectif d’identifier de nouveaux acteurs et régulateurs de la transition SYM vers ASYM, et de valider fonctionnellement le rôle de ces candidats dans la régulation de cette transition. A travers l’analyse de données de RNA-seq à l’échelle cellule-unique provenant de tubes neuraux d’embryons de poulet et souris en développement, j’ai identifié en partenariat avec une équipe de bio-informaticiens (Morgane Thomas-Chollier, Nathalie Lehmann, IBENS) plusieurs gènes candidats à la régulation de la transition du mode de division, selon 2 critères : 1) l’expression différentielle du gène entre progéniteurs Tis21-positifs et négatifs et 2) un profil d’expression pseudo-temporel similaire à celui de Tis21 au cours de la neurogenèse. Parmi ces gènes, je me suis focalisé sur l’étude de CDKN1C (p57Kip2) qui jusqu’à présent avait été décrit principalement comme un régulateur négatif du cycle cellulaire. Mes travaux ont montré l’expression progressive de l’ARNm de CDKN1C dans la région ventrale du tube neural embryonnaire de poulet en développement, suggérant fortement une expression de CDKN1C dans les progéniteurs. J’ai également montré que la perte de fonction in vivo de CDKN1C (via shRNA) diminue la neurogenèse à l’échelle tissulaire, et favorise la prolifération des progéniteurs neuraux. L’exploration de ce phénotype a montré que les progéniteurs présentant une expression diminuée de CDKN1C ont une durée moyenne de cycle cellulaire plus courte, notamment due à une réduction de la durée de la phase G1, comparée à celle des progéniteurs sauvages. A travers une analyse clonale de la descendance de progéniteurs, j’ai ensuite montré que la diminution de l’expression de CDKN1C dans ces progéniteurs favorisait le mode de division SYM. Enfin, dans le but de déterminer si l’effet de CDKN1C sur le mode de division dépendait de son rôle régulateur du cycle cellulaire, et en particulier de la durée de G1, j’ai combiné une diminution d’expression de CDKN1C à une diminution de l’expression de la Cycline D1, qui devrait quant à elle allonger la durée de G1. Cette perte de fonction combinée permet de restaurer le phénotype observé après la diminution seule de CDKN1C, à l’échelle tissulaire et cellulaire, indiquant que le rôle de CDKN1C dans le contrôle du mode de division semble s’effectuer principalement à travers son rôle de régulateur négatif du cycle cellulaire. Dans l'ensemble, mon projet suggère un nouveau rôle de CDKN1C dans la régulation de la transition SYM-ASYM, et contribue à élucider les mécanismes fondamentaux qui régulent cette transition et donc l'équilibre entre prolifération et différenciation dans les progéniteurs neuraux au cours de la neurogenèse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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