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Theses Year : 2019

Investigating spindle assembly mechanisms and mitotic fidelity in neural stem cells during mouse brain development

Étude des mécanismes d’assemblage du fuseau et de la fidélité mitotique dans les cellules souches neuronales du cerveau en développement

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Abstract

The mammalian brain holds a peculiar vulnerability to centrosome or mitotic spindle dysfunction. Mutations in centrosome or spindle encoding genes are the leading cause of Human Primary Recessive Microcephaly (MCPH), a neurodevelopment growth disorder were the brain is drastically reduced in size yet body size is not affected. Loss of neural progenitor cells or apical Radial Glial cells (aRGCs) during brain development causes microcephaly. The lab has previously shown that the presence of supernumerary centrosomes leads to mitotic errors and consequent apoptosis of aRGCs. They also noticed a higher susceptibility to mitotic errors and cell death at early stages of neurodevelopment as compared to late stages. The underlying mechanisms that render aRGCs vulnerable are still unknown. To identify the mechanisms behind aRGC vulnerability, I characterized during my PhD mitotic spindle assembly during normal mouse brain development. Surprisingly, I found that aRGC spindle morphology changes between early and late stages of neurogenesis. At early stages, spindles are prone to interact with the cell cortex through astral MTs which comes at the expense of MT density within the spindle. In contrast, at late stages, spindles decrease astral MT numbers while reinforcing MT inner cell density. Furthermore, I identified the microtubule stabilizing and bundling factor TPX2 as one key determinant of spindle robustness and mitotic accuracy after drug treatments in aRGCs from late neurogenic stages. Indeed, by decreasing TPX2 loading on spindle MTs, which was sufficient to switch spindle morphology to an early-like architecture, I observed an increased frequency of chromosome alignment and segregation errors. The data obtained reveal unexpected modifications in the pathways used by aRGCs to build a bipolar spindle during the course of neurogenesis, which are translated into different chromosome segregation capacity. I thus propose that during mammalian neurogenesis not all aRGCs are equally competent to segregate chromosomes correctly. My work therefore provides mechanistic insights by which mutations in genes encoding centrosome or spindle components might affect specifically brain size during embryonic development.
Le cerveau de mammifère est particulièrement vulnérable au dysfonctionnement des centrosomes et du fuseau mitotique. En effet, la mutation de gènes codant pour des protéines régulant la fonction de ces structures sont la cause génétique principale de la Microcéphalie Humaine Primaire Récessive (MCPH), une pathologie du neuro-développement où la taille du cerveau mais pas celle du corps est affectée de manière drastique. La perte des progéniteurs neuronaux apicaux, aussi appelés cellules de la glie radiaire, durant le processus de neurogenèse est à l’origine de la microcéphalie. L’équipe a précédemment montré que la présence de centrosomes surnuméraires conduisait à des erreurs mitotiques et à la perte par apoptose des cellules progénitrices. Elle a aussi mis en évidence que les erreurs mitotiques et la mort cellulaire qui en résulte étaient plus fréquentes aux stades précoces que tardifs du neuro-développement. Les mécanismes sous-jacents à cette vulnérabilité précoce des progéniteurs neuronaux mitotiques restent inconnus. Afin d’identifier ces mécanismes, j’ai caractérisé pendant ma thèse l’assemblage du fuseau mitotique durant le développement normal du cerveau de souris. De manière surprenante, j’ai observé des changements de la morphologie des fuseaux entre les stades précoces et tardifs de la neurogenèse. Aux stades précoces de la neurogenèse, les fuseaux interagissent avec le cortex de la cellule par l’intermédiaire des microtubules (MTs) astraux, au dépend de la densité des microtubules du fuseau. Aux stades plus tardifs de la neurogenèse, la densité de la population des MTs astraux décline, au profit de la densité des MTs du fuseau. De plus, j’ai identifié la protéine TPX2, un facteur impliqué dans la nucléation, la stabilisation et la fasciculation des MTs, comme un déterminant clé de la robustesse du fuseau et de la fidélité mitotique aux stades tardifs de la neurogenèse. En effet, en diminuant expérimentalement l’interaction de TPX2 avec les MTs du fuseau mitotique aux stades tardifs de la neurogenèse, j’ai montré que cette interaction était suffisante pour convertir la morphologie du « fuseau tardif » en « fuseau précoce » et pour augmenter la fréquence des erreurs d’alignement et de ségrégation des chromosomes. Ainsi, mes données ont révélé des modifications inattendues des mécanismes utilisés par les progéniteurs neuronaux pour assembler un fuseau mitotique bipolaire durant la neurogenèse, avec un impact révélé sur leur capacité à ségréger correctement les chromosomes. Mes travaux ont ainsi permis de proposer que durant la neurogenèse chez les mammifères, toutes les cellules progénitrices n’étaient pas équivalentes dans leur capacité à ségréger les chromosomes. Ils ont aussi apporté de nouveaux éléments mécanistiques concernant la vulnérabilité particulière du cerveau embryonnaire aux mutations des composants du centrosome et/ou du fuseau mitotique dans le contexte de la microcéphalie.
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  • HAL Id : tel-03054330 , version 1

Cite

Diana Vargas Hurtado. Investigating spindle assembly mechanisms and mitotic fidelity in neural stem cells during mouse brain development. Cellular Biology. Université Paris sciences et lettres, 2019. English. ⟨NNT : 2019PSLET052⟩. ⟨tel-03054330⟩
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