Importance de la dynamique de la phase G2 et mécanismes moléculaires recrutés en aval de CDC25B dans le contrôle de la neurogenèse des vertébrés

Importance of G2 phase dynamics and molecular mechanisms recruited downstream of CDC25B in the control of neurogenesis in vertebrates

• Auteur / Autrice : Sofiane Omerani
• Direction : Sophie Bel-Vialar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 17/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de biologie moléculaire, cellulaire et du développement (Toulouse ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Dufourcq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Bel-Vialar, Pascale Dufourcq, Xavier Morin, Muriel Perron, Alexandre David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Morin, Muriel Perron, Alexandre David

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches

Modèles biologiques

Développement neurologique

Mots clés libres

Phosphatase CDC25B

Cycle cellulaire

Système nerveux central

RNA SEQ

Neurogenèse/Embryon

Poulet/Souris

CDC25B Phosphatase

Cell cycle

Central nervous system

RNA SEQ

Neurogenesis/Embryo

Chicken/Mouse

Résumé

Le contrôle de l'équilibre prolifération/différenciation des cellules souches/progéniteurs est essentiel au développement et à l'homéostasie du système nerveux. Une dérégulation de cet équilibre provoque des défauts développementaux ou des cancers. Décrypter les mécanismes contrôlant le choix du destin des cellules souches est donc d'une importance majeure en recherche fondamentale et peut ouvrir de nouvelles perspectives pour le diagnostic et l'innovation thérapeutique. Des études montrent que la durée du cycle cellulaire influence le choix d'un progéniteur de rester en prolifération ou se différencier. Nous étudions le rôle d'un régulateur du cycle cellulaire, CDC25B, dans ce processus. Nous avons montré que CDC25B contrôle la durée de la phase G2 des progéniteurs neuraux et influence le choix du destin de ces progéniteurs dans le système nerveux vertébré. L'objectif de ma thèse était d'étudier le rôle de la durée de la phase G2 et d'identifier les mécanismes moléculaires recrutés en aval de CDC25B, pour le choix du destin des progéniteurs, dans des modèles in vivo (embryon de poulet et souris) et un modèle ex vivo (organoïdes cérébraux humains). Au travers de mes travaux de thèse, j'ai montré que la durée de la phase G2 d'un progéniteur neural influence le destin des cellules filles après la mitose. Des données préliminaires, produites sur organoïdes cérébraux humains, suggèrent que l'importance de la durée de la phase G2 pour la régulation du destin des progéniteurs neuraux est conservée chez l'Humain. D'autre part, la réalisation d'un crible par RNA-Seq m'a permis d'identifier les gènes recrutés en aval de CDC25B dans le tube neural en développement. Parmi les 233 gènes cibles identifiés, 22 ARNm codants des protéines ribosomiques sont surreprésentés en aval d'une surexpression de CDC25B. L'analyse par ontologie m'a permis de révéler que les processus biologiques les plus représentés dans cet ensemble de gènes cibles sont la traduction et la biogenèse des ribosomes. Les liens entre biogenèse des ribosomes/modulation de la machinerie traductionnelle et régulation du destin cellulaire ont été bien établis dans différents modèles expérimentaux. De plus, des défauts d'expression de protéines ribosomiques sont associés à des microcéphalies chez l'humain. J'ai donc posé l'hypothèse que CDC25B pourrait favoriser la différenciation des cellules souches neurales en induisant un réarrangement qualitatif et/ou quantitatif des complexes ribosomiques, permettant de synthétiser de nouvelles protéines nécessaires au changement de destin. Par différentes approches complémentaires (modulation de la durée de la phase G2, perte de fonction de CDC25B), j'ai pu montrer qu'un changement du destin des progéniteurs neuraux, est concomitant avec une modulation de la biogenèse des ribosomes et de la quantité de ribosomes en cours de traduction. De plus, la comparaison de tubes neuraux à différents stades de développement, suggère qu'une augmentation de la quantité de ribosomes en cours de traduction accompagne la maturation et la restriction des progéniteurs neuraux vers un destin neuronal. Mes travaux de thèse, ont donc permis d'aller plus loin dans la compréhension de l'importance de la machinerie du cycle cellulaire, dans la régulation du destin des progéniteurs neuraux au cours de la neurogenèse précoce des vertébrés. Ces travaux me permettent de proposer que CDC25B, en modulant la dynamique du cycle cellulaire et le traductome des progéniteurs neuraux à chaque nouveau cycle, favoriserait la production neuronale en restreignant peu à peu les cellules vers un destin neurogénique. Pour valider ce modèle, il sera important par la suite de déterminer le lien causal entre modulation de la biogenèse des ribosomes/traduction et destin neuronal.

The control of the stem cell/progenitor - proliferation/differentiation - balance is essential for the nervous system development and homeostasis. Altering this balance causes developmental defects or cancers. Deciphering the mechanisms controlling the choice of stem cell fate is therefore of major importance in fundamental research and may open new perspectives for diagnosis and therapeutic innovation. Studies showed that the length of the cell cycle influences the choice of a progenitor to remain in proliferation or to differentiate. We are studying the role of a cell cycle regulator, CDC25B, in this process. We have shown that CDC25B controls the G2 phase length of neural progenitors and influences the fate of these progenitors in the vertebrate nervous system. The objective of my thesis was to study the role of the G2 phase length and to identify the molecular mechanisms recruited downstream of CDC25B, for the choice of progenitor's destiny, in in vivo models (chicken embryo and mouse) and an ex vivo model (human brain organoids). Through my thesis work, I have shown that the G2 phase length of a neural progenitor influences the fate of the daughter cells after mitosis. Preliminary data, produced on human brain organoids, suggest that the importance of the G2 phase length for neural progenitors' fate regulation is conserved in humans. On the other hand, an RNA-Seq screen allowed me to identify the genes recruited downstream of CDC25B in the developing neural tube. Among the 233 target genes identified, 22 ribosomal protein-coding mRNAs are overrepresented downstream of CDC25B overexpression. Ontology analysis allowed me to reveal that the most represented biological processes in this set of target genes are translation and ribosome biogenesis. The links between ribosome biogenesis/ translational machinery modulation and cell fate regulation have been well established in different experimental models. Furthermore, defects in ribosomal protein expression are associated with microcephaly in humans. Therefore, I hypothesized that CDC25B could promote neural stem cell differentiation by inducing a qualitative and/or quantitative rearrangement of ribosomal complexes, allowing the synthesis of new proteins required for the fate change. By different complementary approaches (G2 phase length modulation, CDC25B loss of function), I was able to show that a change in the fate of neural progenitors is concomitant with a modulation of ribosome biogenesis and translating ribosomes quantity. Furthermore, comparison of neural tubes at different developmental stages, suggests that an increase in translating ribosomes quantity is concomitant with neural progenitors' maturation and neural fate commitment. My thesis work, therefore, has allowed to go further in the understanding of the importance of the cell cycle machinery in the regulation of neural progenitor fate during early vertebrate neurogenesis. This work allows to hypothesize that CDC25B, by modulating the cell cycle dynamics and the translatome of neural progenitors at each new cycle, would promote neuronal production by gradually restricting the cells towards a neurogenic fate. To validate this model, it will be important to determine the causal link between ribosome biogenesis/translation modulation and neuronal fate.