Understanding the role of Dynein and the extracellular matrix during human neocortical development using cerebral organoids
Comprendre le rôle de la dynéine et de la matrice extracellulaire au cours du développement néocortical humain à l'aide d'organoïdes cérébraux
Résumé
Cortical development in mammals begins with the differentiation of neuroepithelial cells into apical radial glial (aRG) cells, a primary population of neural stem cells (NSCs). These cells drive the early stages of brain development through cycles of proliferation and the generation of post-mitotic neurons that migrate radially to form the layered structure of the cerebral cortex. In humans, cortical expansion and complexity are further supported by a second NSC type—basal radial glial (bRG) cells. Derived from aRGs, bRGs share neurogenic and gliogenic potential but localize to more basal regions of the developing cortex and lack apical attachments. bRG cells are thought to be a key evolutionary feature of primates and may give rise to a range of neural lineages, including inhibitory neurons and oligodendrocytes. Despite advances in single-cell and lineage-tracing technologies, the molecular mechanisms guiding cell fate decisions and the generation of this cellular diversity remain incompletely understood. My PhD research investigated both intrinsic (genetic) and extrinsic (environmental) mechanisms that regulate human cortical development, with a particular focus on how disruptions in these pathways contribute to neurodevelopmental disorders known as Malformations of Cortical Development (MCDs). These disorders often arise from impairments in NSC behavior, neuronal migration, or tissue organization, resulting in conditions such as microcephaly or lissencephaly. In the first part of my thesis, I studied genetic disorders caused by mutations in microtubule-associated proteins and molecular motors. A key focus was cytoplasmic dynein, a motor protein complex critical for mitosis, intracellular transport, and neuronal positioning. Mutations in the dynein heavy chain gene DYNC1H1 cause a range of neurological conditions, collectively termed dyneinopathies, including both MCDs and Spinal Muscular Atrophy with Lower Extremity Predominance (SMALED). These disorders differ in their phenotypic outcomes—MCDs involve cortical defects, while SMALED primarily affects the spinal cord—suggesting mutation-specific, context-dependent functions of dynein. To explore this, I used patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) to generate cerebral organoids, 3D in vitro models of early human brain development. I analyzed dynein-dependent processes in organoids carrying different DYNC1H1 mutations. Organoids with MCD-associated mutations exhibited reduced growth, mitotic spindle defects, and delayed NSC division, leading to increased apoptosis and reduced cell numbers—findings consistent with the microcephaly phenotype seen in patients. In contrast, SMALED-mutant organoids showed normal growth and mitotic behavior, reflecting the absence of cortical abnormalities. These results support a model where specific DYNC1H1 mutations disrupt NSC proliferation and genome integrity, resulting in lineage-specific developmental failure. In the second part of my work, I investigated how extrinsic cues, particularly the extracellular matrix (ECM), influence cortical development. The ECM provides structural and biochemical support for NSC proliferation, differentiation, and migration. I focused on fibronectin (FN1), a major ECM glycoprotein implicated in brain development. To assess its role, I created an FN1 knockout iPSC line and used it to generate cerebral organoids. Preliminary data showed impaired organoid growth in the absence of fibronectin, suggesting its critical role in maintaining progenitor function and tissue architecture. Overall, my research highlights the importance of both intrinsic mutations in key genes like DYNC1H1 and extrinsic factors like fibronectin in shaping human cortical development. These findings enhance our understanding of the cellular and molecular mechanisms underlying MCDs and may inform future strategies for modeling and potentially correcting neurodevelopmental disorders.
Le développement du cortex cérébral chez les mammifères débute avec la différenciation des cellules neuroépithéliales en cellules gliales radiaires apicales (aRG), un type clé de cellules souches neurales (NSC). Ces aRG génèrent des neurones post-mitotiques qui migrent radialement pour former les différentes couches corticales. Chez l'humain, un deuxième type de NSC, les cellules gliales radiaires basales (bRG), contribue également à la complexité corticale. Issues des aRG, les bRG conservent une capacité neurogénique et gliogénique, mais se distinguent par leur position plus basale et l'absence de jonctions apicales. Ces cellules sont considérées comme une innovation évolutive majeure, capables de générer divers types cellulaires, y compris des neurones inhibiteurs et des oligodendrocytes. Malgré des progrès récents, les mécanismes qui déterminent la destinée des cellules progénitrices corticales restent encore mal compris. Mes recherches de doctorat ont porté sur les facteurs intrinsèques (génétiques) et extrinsèques (environnementaux) contrôlant le développement cortical humain, en particulier dans le contexte des malformations du développement cortical (MCDs), des troubles neurologiques graves souvent causés par des anomalies dans la prolifération des NSC, la migration neuronale ou l'organisation tissulaire, conduisant à des pathologies comme la microcéphalie ou la lissencéphalie. Dans une première partie, j'ai étudié des mutations génétiques affectant des protéines du cytosquelette de microtubules, en particulier la dynéine cytoplasmique, un moteur moléculaire indispensable à la division cellulaire et à la migration neuronale. Des mutations dans le gène DYNC1H1, codant la chaîne lourde de la dynéine, sont responsables d'un spectre de maladies appelées dynéinopathies, incluant à la fois des MCDs et l'amyotrophie spinale avec prédominance des membres inférieurs (SMALED). Alors que les MCDs affectent principalement le cortex, SMALED touche la moelle épinière, suggérant que les fonctions de la dynéine varient selon le contexte cellulaire. Pour analyser cette relation génotype-phénotype, j'ai utilisé des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) de patients afin de créer des organoïdes cérébraux, modèles 3D du développement cortical humain. Les organoïdes porteurs de mutations associées aux MCDs présentaient une croissance réduite, des défauts du fuseau mitotique, un ralentissement de la division des NSC et une apoptose accrue, expliquant la microcéphalie observée chez les patients. À l'inverse, les organoïdes SMALED ne présentaient pas d'anomalies majeures, en accord avec leur phénotype clinique. Dans la seconde partie de ma thèse, j'ai exploré le rôle de la matrice extracellulaire (ECM), et plus spécifiquement de la fibronectine (FN1), une glycoprotéine essentielle de l'ECM impliquée dans la prolifération, la différenciation et la migration des NSC. En générant une lignée iPSC FN1-KO, j'ai observé une réduction de la croissance des organoïdes, suggérant un rôle clé de FN1 dans l'organisation et la dynamique des cellules progénitrices du cortex en développement. En conclusion, mes travaux révèlent l'interaction complexe entre mutations génétiques (telles que celles de DYNC1H1) et facteurs environnementaux (comme la fibronectine) dans la régulation du développement cortical humain. Cette recherche contribue à la compréhension des mécanismes responsables des malformations corticales et ouvre la voie à de futures stratégies thérapeutiques et modèles de recherche pertinents.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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